Cuisson

Un article de TerraWiCotta.

À la sortie du séchoir, les produits n’ont pas encore leurs véritables qualités céramiques. Pour leur permettre d’acquérir la résistance mécanique, la stabilité à l’humidité, la résistance aux intempéries, etc., il est nécessaire de les soumettre à la cuisson à des températures élevées (900 à 1 150 °C). Les produits de terre cuite étant fabriqués dans de grandes unités de production, on mesure toute l’importance du facteur régularité. La cuisson doit être conduite de façon à obtenir des produits de caractéristiques fonctionnelles satisfaisantes et aussi régulières que possible. Il s’agit de mélanger intimement le combustible avec l’air de combustion dans les brûleurs, de diluer ce mélange dans un excès d’air important pour ramener la température des flammes à la température de cuisson désirée pour le mélange argileux et, enfin, de soumettre tous les produits de l’empilage aux mêmes conditions thermiques. Les paramètres qui conditionnent la cuisson sont donc la température des pièces, la durée de cuisson et l’atmosphère du four (nature et uniformité).

Sommaire 1 Action de la température sur les constituants du mélange 1.1 Évolution de la texture 1.2 Diagrammes de phase 1.3 Structures du quartz et réactions au refroidissement 2 Tests de comportement à la cuisson en laboratoire 2.1 Thermodilatométrie 2.2 Thermogravimétrie 2.3 Analyse thermique calorimétrique 2.4 Spectrométrie infrarouge et diffraction X 2.5 Essais technologiques 3 Fours artisanaux et semi industriels 4 Fours tunnels 4.1 Construction du four tunnel 4.2 Wagons 4.3 Étanchéité au sable 4.4 Four hydrocasing 4.5 Brûleurs 4.6 Empilement des briques, cuisson des tuiles en U et en H 4.7 Modes de fonctionnement du four tunnel 4.8 Évolution des fours tunnels 5 Énergie consommée par l’opération de cuisson et combustibles 5.1 Consommation d’énergie 5.2 Combustibles 6 Défauts de cuisson

Action de la température sur les constituants du mélange

Sous l’action de la température, un certain nombre de réactions chimiques et physiques complexes vont se produire dans le mélange argileux et provoquer des modifications de porosité, de structure, de masse volumique, de dimensions, et de propriétés mécaniques. Les modifications au chauffage des principaux composants du mélange argileux sont les suivantes :

• jusqu’à 200 °C environ, dégagement de l’eau résiduelle de séchage (reste d’eau d’interposition, d’eau absorbée hygroscopique) et de l'eau d’hydratation ou zéolitique. Ainsi les smectites peuvent perdre une part importante de leur eau, en particulier les molécules placées en position inter foliaire. Les molécules H2O disparaissent des spectres IR ;
• de 200 à 450 °C, élimination des matières organiques ; elles s’oxydent avec l’air qui diffuse dans les porosités. Si le milieu n’est pas oxydant, des résidus carbonés vont se décomposer au lieu de s’oxyder en formant des hydrocarbures gazeux et du carbone qui reste dans la masse du tesson. La décomposition se produit à plus haute température que l’oxydation et le carbone résiduel est difficile à brûler par la suite ;
• les hydrates non argileux se décomposent totalement ou partiellement vers 350 °C. Les hydroxydes de fer (goethite) se transforment en oxydes de fer. Suivant les conditions d’oxydoréduction, ils donnent soit de l’oxyde ferrique Fe2O3 avec la coloration rouge, soit de la magnétite Fe3O4 de coloration bleu noir. Ainsi les mélanges argileux non calcaires contenant du fer cuisent rouge en atmosphère oxydante mais cuisent brun bleu en atmosphère réductrice ;
• de 400 à 680 °C, il y a destruction des minéraux argileux avec départ de l’eau de constitution. Les liaisons oxhydryles OH disparaissent des spectres IR. Il y a formation de composés très fins et désordonnés dits méta kaolin et on observe un début du retrait de cuisson; la kaolinite, l’illite et l’halloysite commencent à se décomposent ainsi vers 550 / 580 °C, la montmorillonite vers 680 °C ;
• à 573 °C, le quartz change de forme cristallographique. Au chauffage, cette transformation n’a pas de conséquence pratique dans un matériau non céramisé ;
• de 750 à 850 °C, décomposition du carbonate de chaux (cas des argiles calcaires) en chaux vive et dégagement de gaz carbonique selon la réaction :

Équation 1 : CO3Ca => CaO + CO2 (g) Cette réaction est un équilibre et les températures exactes dépendent donc de l’atmosphère gazeuse. On observe aussi la décomposition des sulfures dans cette gamme de température, ainsi que de certains sulfates et des halogénures. On reparlera de ces composés dans l’étude des efflorescences et des polluants gazeux.

• dès 800 °C et jusqu’à la température finale de cuisson, deux types de phénomènes apparaissent .

D’abord les fondants contenus dans les mélanges non calcaires (feldspath, minéraux contenant des alcalins) entrent petit à petit en réaction et forment des eutectiques à relativement bas point de fusion qui réalisent un frittage liquide réactif donnant aux produits leurs qualités mécaniques définitives. Les premiers verres apparaissent avant 800 °C. À 1 150 °C, les feldspaths sont fondus. Cette phase liquide peut se développer de façon plus large ; c’est le grésage ou la vitrification, qui s’accompagne d’une baisse importante de la porosité du tesson et de l’apparition d’un retrait (retrait de cuisson généralement de 0,5 à 5 % environ par rapport à la longueur sèche). Au refroidissement, on obtient donc une texture liée par une phase vitreuse, plus ou moins importante, avec des porosités résiduelles. Par contre les argiles calcaires ne développent pratiquement pas de phase vitreuse.

• Aux plus hautes températures, l’autre phénomène est le début de recombinaison et de cristallisation de composés céramiques en phase solide. Il s’agit d’abord de la silice et des silicates, qui réagissent au-delà de 1 000 °C et d’autant plus que la température finale est élevée. Ainsi la kaolinite donne-t-elle un fort pic exothermique vers 950 °C, correspondant à la formation de mullite 3Al2O3.2SiO2 à partir des méta kaolins. La présence d’impuretés réduit ce pic et provoque un décalage vers des températures plus basses. Les autres argiles ne présentent pas ce pic, ou seulement de façon très atténuée, sans doute parce que les impuretés freinent la formation de mullite.

De même le quartz peut commencer à se transformer très lentement en présence de catalyseur en cristobalite alors qu’une autre partie se dissout dans les flux, comme on le verra plus loin. S’il y a du calcaire dans les argiles, on verra disparaître CaO et se former des silicates de calcium (wollastonite CaSiO3) en petite proportion et surtout des aluminosilicates de calcium comme l’anorthite CaO.Al2O3.2SiO2 (le plus courant), la géhlenite 2CaO.Al2O3.SiO2 (quand il y a beaucoup de calcaire). La dolomie entraîne la formation de silicate de calcium/ magnésium (diopside).Le fer n’apparaît plus comme hématite, mais se combine aux aluminosilicates et sa couleur rouge disparaît. On parle de silicatisation du matériau. Dans le tableau 27, on trouve un résumé de toutes les transformations des argiles non calcaires.

Tableau 27 Réactions dans les argiles non calcaires à la cuisson

Dans un produit de terre cuite, on va donc trouver après cuisson :

• des résidus des phases initialement présentes et non complètement détruites : quartz, mica, feldspath ;
• de nouvelles phases cristallines, silicates d’alumine et surtout silico-aluminates de calcium pour les argiles calcaires ;
• une partie amorphe souvent importante, dont la concentration diminue avec la température de cuisson.

La figure 36 montre les changements cristallographiques d’une argile calcaire au chauffage, suivis par rayons X.

Figure 35 Transformation des phases cristallisées dans une argile calcaire

Sur le tableau 28, on montre, à titre d’exemple, les analyses minéralogiques réalisées sur les briques italiennes , correspondant aux argiles décrites au tableau 9, après cuisson (four industriel continu 910 °C pour F, MO et S, four de labo à 950 °C pour les autres). On a aussi inclus d’autres propriétés physiques intéressantes.

Tableau 28 Minéralogie et propriétés de briques italiennes après cuisson

Les argiles sans carbonates (MA, S, SL) montrent principalement une phase amorphe (28 à 45 %), du quartz (26 à 42 %), de la plagioclase (2 à 11 %) et des autres feldspaths (8 à 14 %). Les argiles contenant de 10 à 20 % de carbonate (AT, CA, F, LM, MO) montrent du quartz (18 à 34 %), des feldspaths (19 à 37 %), principalement le plagioclase. On voit apparaître de la géhlénite et de la wollastonite. Les argiles contenant abondamment des carbonates (> 20 %) (A, D, LS, SA, X) montrent aussi des feldspaths (44 à 60 %), principalement la plagioclase. La gehlenite et la wollastonite sont importantes.

Évolution de la texture

A l’évolution chimique précédente correspond un changement dans la texture. Pour les argiles ferrugineuses, la porosité décroît avec l’augmentation de la température au-delà de 800 °C. Le nombre de pores diminue. Les diamètres des pores commencent à croître. On observe un déplacement des courbes porométriques (Figure 37) vers les diamètres de pore plus élevés. Puis les pores commencent à se fermer, la porosité ouverte diminue rapidement et la porosité fermée augmente.

Figure 36 Courbes porométriques et température de cuisson

Dans les mélanges calciques, par contre, les dimensions des pores restent pratiquement constantes et ils conservent leur porosité jusqu’à la fusion, qui peut apparaître dès 1080 °C. Parallèlement à la baisse de la porosité, on observe une augmentation de la densité, du module élastique, de la résistance à la compression et de la dureté.

Diagrammes de phase

Les composants stables à haute température sont décrits par les diagrammes de phase. Pour la terre cuite, on notera cependant les restrictions suivantes :

• les composés de la terre cuite ne sont que partiellement cristallisés;
• les compositions locales ne sont pas homogénéisées car les temps de cuisson sont trop courts et les températures trop basses.

Les diagrammes ne donnent donc que des tendances générales. On donne ci-après les diagrammes binaires et ternaires importants :

• Al2O3 / SiO2 avec le corindon, le quartz/cristobalite et le composé intermédiaire, la mullite. Les composés observés en pratique dans la terre cuite sont principalement la mullite et la silice.

Figure 37 Système alumine/silice

• CaO / SiO2, système qui intervient dans les argiles calcaires et fait intervenir des silicates de calcium comme la wollastonite CaO.SiO2. L’eutectique le plus bas du système est à 1 436 °C.

Figure 38 Système chaux/silice

• Al2O3/ SiO2/CaO pour les argiles calcaires qui montre en addition les composés triples silico-aluminates de calcium (gehlenite, anorthite…). Il existe un eutectique ternaire à 1 170 °C.

Figure 39 Système chaux/silice/alumine

• SiO2 / FeO qui explique que le fer a un certain effet fondant mais seulement à assez haute température (1 190 °C). Il montre l’existence d’un oxyde mixte, la fayalite 2FeO.SiO2. Sur le diagramme, on ne voit que la partie des hautes températures où seul FeO (wustite) est stable.

Figure 40 Système silice/oxyde de fer

• SiO2/ Na2O, système qui montre des eutectiques capables de se créer à basse température et responsables de l’effet fondant des alcalins. L’eutectique le plus bas apparaît à environ 800 °C.

Figure 41 Système silice/oxyde de sodium

• Al2O3/SiO2/Na2O ou K2O, systèmes ternaires qui sont assez similaires et montrent des composés avec des points eutectiques encore plus bas que ceux des diagrammes binaires. Le point ternaire le plus bas est à 732 °C dans le système SiO2/Al2O3/Na2O et à 695 °C dans le système SiO2/Al2O3/K2O.

Figure 42 Système alumine/silice/oxyde de sodium

Structures du quartz et réactions au refroidissement

Au refroidissement, les nouvelles structures créées à haute température sont généralement stables. Seules sont observables les transformations allotropiques du quartz. La silice peut prendre différentes formes cristallisées allotropiques :

• quartz, thermo dynamiquement stable de la température ambiante à 870 °C, densité 2,651 à 0 °C ;
• tridymite, stable de 870 °C à 1 470 °C, densité 2,262 à 0 °C
• cristobalite, stable au-dessus de 1 470 °C, densité 2,320 à 0 °C.

En fait ces trois espèces sont cinétiquement très stables. Il faut chauffer le quartz au-dessus de 920 °C en présence de fondant pour qu’il se transforme très lentement en cristobalite. La cristobalite ne se transforme pour ainsi dire pas en quartz au refroidissement. Cependant, chacune de ces espèces peut être observée en deux modifications :  et . La modification  est stable à haute température et est bien symétrique alors que la modification , stable à basse température, est distordue. La transformation du quartz a lieu à 573 °C et V/V = +0,8 % et l/l = +0,3 %. Cette transformation, sans diffusion, est facile à réaliser, et elle est pratiquement instantanée. Au refroidissement, cette transformation peut être la cause de fêle. Pour réduire ce risque, on diminue généralement les vitesses de refroidissement de la terre cuite au passage de cette zone pour limiter le gradient thermique et favoriser une transformation répartie.

Tests de comportement à la cuisson en laboratoire

On réalise différents tests de laboratoire pour évaluer le comportement à la cuisson de la terre cuite et optimiser le cycle industriel. Le comportement à la cuisson est analysé en faisant des mesures de dilatométrie, de gravimétrie et de calorimétrie en fonction de la température. De façon optimale, un même appareil permet d'effectuer ces trois analyses sur le même échantillon : Analyse thermique dilatométrique (ATD), Analyse thermique gravimétrique (ATG) (NF T 01021), Analyse thermique calorimétrique (ATC).

Figure 43 Courbes dilatométriques de différentes argiles

Thermodilatométrie

Les courbes thermodilatométriques sont très caractéristiques du type d'argile utilisé. Elles renseignent sur le retrait du tesson à la cuisson, sur la température de début du grésage, sur la dilatation thermique et sur la brutalité du crochet quartz, générateur de fêle lors du refroidissement. La forte diminution de volume à haute température correspond au grésage du matériau (frittage en phase visqueuse). La thermo-dilatométrie permet aussi de déterminer la présence de calcaire dans le matériau. Sur la figure 44, on donne des courbes dilatométriques de différentes argiles (kaolinite, fireclay, halloysite, muscovite, illite, smectites, vermiculite, chlorite).

Thermogravimétrie

L'analyse thermo gravimétrique (ATG) suit la perte de poids de l'échantillon en fonction de la température. Cette perte de poids correspond au départ des différentes eaux des argiles, aux dégazages et oxydations des composés organiques et à la décomposition des sels, en particulier du calcaire avec perte de CO2. Sur la figure 45, les pertes de masse sont données en positif.

Analyse thermique calorimétrique

L'analyse thermique calorimétrique différentielle (ATC) mesure les différences de température entre un témoin inerte et l'échantillon testé. Ces différences correspondent aux enthalpies engendrées au cours de la cuisson par des transformations telles que les changements de phases ou les réactions chimiques. Les réactions de décomposition sont généralement endothermiques (déshydratations, décarbonatations). La formation de mullite à partir de kaolinite est par contre exothermique. Les résultats d'ATC servent à quantifier les dégagements de chaleur et établir les chaleurs de réaction. Les réactions exothermiques provoqueront une augmentation de température dans les fours. Cet apport de chaleur peut être recherché avec des ajouts organiques pour diminuer la consommation énergétique du four.

Figure 45 Courbes d'analyse thermique calorimétrique de différentes argiles

Spectrométrie infrarouge et diffraction X

L’évolution des structures à basse température peut aussi être suivie par spectrométrie infrarouge (évolution et disparition de la liaisons OH). Les transformations cristallographiques sont étudiées par rayons X, bien que les structures de la terre cuite soient généralement très fines et partiellement vitreuses.

Essais technologiques

On réalise aussi des essais plus technologiques de cuisson en cuisant des barrettes à différentes températures avec un cycle thermique défini (vitesse de montée en température, durée du palier de température, vitesse de refroidissement). Ces barrettes sont pesées, les dimensions mesurées. On regarde alors la couleur, l’aspect, la sonorité, les fissures apparentes. On calcule le retrait à la cuisson, la perte au feu, la porosité ouverte. On réalise des essais mécaniques (test de flexion). On complète généralement ces mesures par des examens optiques et microscopiques (au MEB) des surfaces externes et des surfaces de rupture, examens qui permettent de mieux apprécier la granulométrie, l’isotropie du produit et d’évaluer son grésage. Ces données permettent de faire une première évaluation de la température optimale de cuisson. Par la suite, il est aussi possible de varier la vitesse de montée en température pour optimiser la durée du cycle thermique. On réalise aussi des essais de fluage (ou de comportement sous charge) de façon à apprécier les déformations potentielles des produits en fonction de la température, et à évaluer la tenue en charge des produits (risque d’affaissement des empilages et déformations des tuiles à haute température).

Fours artisanaux et semi industriels

La grande majorité de la production de briques dans le monde est réalisée avec des fours artisanaux et des fours semi industriels. Les fours artisanaux fonctionnent de façon intermittente. Au niveau le plus simplifié, le four est construit à chaque cuisson en mélangeant en couches successives les briques sèches et le combustible en couches dans un four de campagne (clamp) en forme de meule. Le cycle de cuisson dure plusieurs semaines. De façon plus développée, on trouve des fours ronds permanents intermittents dans lequel on fait cuire les briques, avec par la suite un tirage mieux contrôlé (downdraught kilns). On ne refait pas le four à chaque cuisson mais les temps de cuisson sont toujours longs (2 semaines) et les consommations énergétiques élevées. La grande première amélioration a été le développement du four circulaire à charge fixe et feu tournant. Le four avait initialement la forme d’un tore dans lequel les briques étaient introduites avant le passage du feu. Il a été créé en 1867 par M. Hoffmann, qui lui a laissé son nom, et a assuré la production européenne jusque dans les années 1970 / 1980. Il continue à être utilisé et amélioré dans des pays comme le Magreb car il est peu coûteux et efficace. Il a souvent la forme de deux tunnels parallèles, ce qui permet de rentrer à l’intérieur avec une chargeuse, reliés aux extrémités pour le passage du feu. Une modification de ce four a été fait en 1893 par W.Bull en réalisant le four tranchée (trench kiln) plus faciles à construire. Cette modification s’est répandue très largement en Asie et spécialement en Inde. Au lieu d’être une construction sur le sol, le four est construit dans une tranchée et il n’y a pas de voûte permanente. Cette dernière est construite au chargement du four et détruite au déchargement après le passage du feu.. Le tirage est donné par une cheminée qu’on déplace avec le feu. Les installations plus sophistiquées ont cependant une cheminée fixe centrale. L’investissement est limité, la voûte, complexe à construire, a été éliminée. La sortie et l’entrée dans le four sont facilitées. Il faut encore citer les fours verticaux chinois. Les briques et le charbon sont montés dans un four vertical cylindrique. Au fur et à mesure, de nouvelles briques et du charbon sont chargés dans le haut du four alors qu’on retire les briques cuites en bas avec un système de vérin et de reprise de charge.

Fours tunnels

Si quelques fabrications artisanales utilisent des fours intermittents et si quelques usines sont encore dotées de fours continus à charge fixe et feu mobile (fours Hoffmann), l’essentiel de la production européenne est assuré par des fours continus à feu fixe et charge mobile, encore appelés fours tunnels, et que traversent lentement les matériaux à cuire.

Construction du four tunnel

Dans ce type d’appareils, les produits sont empilés sur des wagons qui sont ensuite poussés à l’intérieur du four tunnel où ils avancent progressivement au fur et à mesure qu’un nouveau wagon est introduit dans le four. Les fours tunnels peuvent avoir comme dimensions courantes plus de 100 m de longueur avec des sections de 3 à 7 m de largeur pour 1 à 4 m de hauteur. On trouve de grandes variations avec par exemple des longueurs de 170 m, des largeurs de 12 m… Pour les tuiles, la hauteur est limitée par l’homogénéité thermique recherchée, la stabilité des empilages et les reprises de manutention automatique. Pour les briques, le collage des produits sous charge et la déformation à chaud sont des limitations additionnelles. La durée totale du passage – donc la durée de la cuisson – varie généralement de 8 à 48 h selon le type de produit et les difficultés plus ou moins grandes que les matières premières présentent à la cuisson. Il existe aussi des fours dits à cuisson rapide où la durée de cuisson est inférieure à 8 h. On peut descendre à des temps encore plus réduits (trois heures) avec la technologie des fours à rouleaux. Le four tunnel comprend trois parois fixes isolées thermiquement : le toit et les parois verticales. La sole du four est mobile et constituée par les plates-formes isolées des wagons. On en voit une section sur la figure 47. Les parois fixes des fours sont habituellement isolées thermiquement par des briques réfractaires et extérieurement par de la fibre isolante. En principe les zones du four tunnel restent toujours à la même température et l’inertie thermique du four est plutôt recherchée. L’isolation est soutenue par une structure externe (fours portiques). Les parois extérieures de fours sont souvent en briques. Pour les fours « casing », cette structure devient une carcasse métallique extérieure continue autoportante, conservée à température ambiante, qui assure une bonne étanchéité à l’air. Comme ce four très long ne peut travailler à pression ambiante, cette étanchéité limite les entrées d’air froid, ce qui améliore le rendement thermique, la qualité des produits et la reproductibilité des couleurs.

Figure 46 Section d'un four tunnel avec wagon

Wagons

Les wagons ont une longueur de 3 à 6 m et portent des charges de 12 à 20 t environ. Ils comprennent un fort châssis métallique avec des roues indépendantes. La plate-forme est isolée thermiquement du châssis et sert de sole du four sur laquelle on pose les produits. Elle évite aussi que les parties mécaniques des wagons soient exposées à la chaleur du four. Les wagons circulent en continu à partir du poste d’empilage où ils sont chargés des produits venant du séchoir. Ils passent par un poste de stockage intermédiaire car l’empilage ne travaille pas en continu et il faut stocker la production future de la nuit et du week-end ; ils rentrent alors dans le four par une porte verticale coulissante. Le four peut comprendre un pré four séparé, avec des portes mobiles ; les wagons traversent alors les différentes zones du four et ressortent par la porte de sortie. Ils passent ensuite au poste de dépilage, et reviennent au point de départ par la voie de retour des wagons. Le stockage des wagons avant l’entrée dans le four peut être fait dans une atmosphère contrôlée s’il y a des risques de reprise d’humidité. On cherche aussi à rendre étanche à l’air la sole morcelée, quatrième côté du four et différents procédés ont été développés. L’isolation thermique des wagons, qui entrent et qui sortent dans le four, est différente de celle du four lui-même qui reste lui toujours en température. Le système d’isolation des wagons doit à la fois présenter une faible conductivité thermique mais aussi une faible diffusivité (faible masse, faible capacité thermique). Ils comportent donc souvent une structure mécanique pour le support de la charge et une isolation légère en fibres.

Étanchéité au sable

L’étanchéité latérale entre les plates-formes des wagons et les parois verticales du four est assurée par des joints qui glissent dans le sable d’une sablière le long des parois verticales du four. L’étanchéité frontale entre wagons est assurée par des joints de réfractaire fibreux, pressés entre les wagons. La solution est simple mais l’étanchéité n’est pas absolue.

Four hydrocasing

Dans cette construction particulière (fours hydrocasing), la partie basse des wagons est entourée d’une jupe métallique fermée et les étanchéités latérales et frontales sont assurées par une nappe d’eau dans laquelle trempent les jupes des wagons. La construction du four est plus complexe puisque le sol du four est maintenant un bac d’eau. Il faut donc descendre le wagon dans le bac qui a une profondeur d’eau d’environ 20 cm. Ceci se fait au moyen d’une plate-forme élévatrice, d’un plan incliné ou d’une écluse. Par principe, le four devient alors complètement étanche sur son quatrième côté. L’eau du bac peu exposée au rayonnement du four, s’évapore peu. Elle peut piéger des polluants et devenir corrosive. Ces modes de construction permettent d'assurer une très bonne étanchéité au four casing, garante d’un bon rendement thermique et du contrôle de l’atmosphère de cuisson.

Brûleurs

Au niveau de la zone de cuisson, le combustible est injecté par des brûleurs en voûte ou latéraux, dans les espaces ménagés, entre les empilages des wagons. Ces brûleurs sont adaptés au combustible (gaz, fuel lourd, sciure, poussière de coke,…)

Les brûleurs à gaz peuvent être simplifiés à auto-allumage à haute température. Il s’agit par exemple de brûleur « fleuret » dans lequel la flamme est diffuse. On trouve des brûleurs à flamme froide pour mettre déjà dans la zone de préchauffage. Il y a des brûleurs à auto allumage pour faciliter la préchauffe des fours. Il y a aussi des brûleurs « jet », à air soufflé, à grande vitesse (v>100m/s) ; ces jets à haute énergie favorisent le brassage du milieu ambiant L’uniformité des températures dans la section du four favorise celle de la qualité et permet des temps de cuisson plus faibles. Ces gaz à grande vitesse sont rapidement dilués ce qui limite leur action potentiellement néfaste sur les céramiques et isolants. On trouve aussi des brûleurs à récupération qui utilise de l’air qui a été préchauffé ou dans le brûleur lui-même ou l’extérieur. Les brûleurs peuvent avoir des niveaux de réglage modulables ou être réglés en tout en rien par des impulsions dont on varie durée et fréquence.

Empilement des briques, cuisson des tuiles en U et en H

Les briques sont généralement chargées les unes sur les autres en empilage avec suffisamment d’espace entre les produits pour laisser l'air chaud circuler. Quand on change de modèle de produit, on s’efforce de conserver les mêmes densités d’empilage pour ne pas modifier les conditions thermiques de fonctionnement du four. L’étanchéité entre les empilements et les parois est spécialement examinée pour limiter les passages préférentiels de gaz autour et au dessus. La densité d’empilage est élevée. Les tuiles sont souvent soumises à des températures de cuisson plus élevées que les briques ; par ailleurs les exigences dimensionnelles des produits sont beaucoup plus sévères. Aussi l’empilage en masse a-t-il été abandonné car il générait trop de déformations. On a alors développé des gazettes céramiques en forme de U, qui permettent de recevoir un petit nombre de tuiles qui sont empilées verticalement, l’empilement final étant réalisé avec ces gazettes. Ces gazettes sont réalisées en céramique (cordiérite). De façon plus récente, on a introduit des supports individuels (support en H) dans lesquels on pose les tuiles qui sont supportées chacune séparément. Ces supports en H s’empilent les uns dans les autres sur la sole du wagon. Ces supports permettent l’emploi de température de cuisson plus élevées, souvent gage d’ingélivité. Ils permettent aussi l’emploi facilité de traitements de surface. La géométrie des tuiles reste très bonne malgré la température plus élevée. Chaque tuile est mieux exposée au flux de gaz dans une structure plus ouverte et elle chauffe et refroidit plus rapidement. La densité d’empilage est plus faible. Il faut utiliser des gazettes et supports, ce qui implique un coût d’investissement, des problèmes de manipulation, l’adaptation des supports aux différents produits, l’usure (thermique et mécanique) et le moins bon rendement thermique du four puisque, à sa sortie, la chaleur résiduelle contenue dans le support est perdue. Aussi de nouvelles solutions qui utilisent des supports en barres de carbure de silicium, à la fois plus léger et plus résistant aux chocs thermiques, se développent rapidement.

Modes de fonctionnement du four tunnel

La production d’un four tunnel peut-être donnée en différentes unités :

• 100 t/j = 4.2t/h = 1,16 kg/s
• 300 t/j = 12.5t/h = 3.5 kg/s.

Le four continu classique fonctionne comme deux échangeurs de chaleur à contre-courant séparés par la zone de cuisson : les produits circulent dans un sens ; l’air de combustion et d’échange et les fumées circulent dans l’autre. L’air entrant se réchauffe sur les produits en cours de refroidissement. Puis les fumées chaudes échauffent les produits en cours de chauffage. Ainsi on utilise la chaleur de refroidissement des produits qui sortent pour préchauffer les produits qui entrent. Ces deux échangeurs sont séparés par la zone de cuisson. La figure 48 montre un schéma du four avec la répartition des températures des produits et du gaz. En suivant le produit, on trouve les différentes zones du four tunnel:

• le pré four, éventuel, séparé du four par une porte, qui permet de préchauffer rapidement la charge à 100°C ;
• la zone de préchauffage des produits, traversée par les gaz provenant de la zone de cuisson. Comme ces gaz chauds ont tendance à rester en voûte, un fort brassage des fumées y est réalisé pour uniformiser et accélérer la montée en température des produits. Les vitesses de montée en température sont souvent de 30 à 100 °C/h. Les fumées sont rejetées en sortie de four à la température la plus basse possible, tout en évitant les condensations des fumées acides dans les carneaux et dans la cheminée (variable de 110 à 200°C°C).
• la zone de cuisson, avec les brûleurs, qui correspond au palier de cuisson ;
• la zone de refroidissement où les produits refroidissent par réchauffage de l’air soufflé qui se déplace en sens inverse vers la zone de cuisson. On distingue plusieurs zones dans le refroidissement à partir de la cuisson :
  • une première zone dite de trempe où le refroidissement est rapide et obtenu par injection d’air frais,
  • une zone de refroidissement lent pour le passage du point quartz,
  • puis une zone à nouveau plus rapide jusqu’à la sortie des produits. Dans cette zone se trouve aussi l’extraction de chaleur vers le séchoir. Pour limiter les investissements, les fours sont de longueur limitée et les produits seraient encore trop chauds à la sortie. On augmente donc l’arrivée d’air, ce qui permet une extraction et la fourniture de gaz chauds au séchoir.

On peut dimensionner ces échangeurs à contre-courant grossièrement avec quelques hypothèses très simplificatrices (en particulier calcul unidirectionnel, coefficient d’échange K constant le long du four, chaleurs spécifiques stables avec la température, pas d’injection/ extraction de gaz)). Il y a un flux de capacité calorifique de terre cuite (débit massique Q x chaleur spécifique de la terre cuite c) qui est contrebalancé par un flux d’air et de fumées Q’, de chaleur spécifique c’. Le calcul des températures fait intervenir le rapport des flux de capacité calorifique. On obtient une expression des variations de température de long du four du type : Équation 5 T = T0 exp (-Kl (1-Qc/Q’c’)) avec :

• T différence de températures entre terre cuite et gaz au point de position x = l ;
• T0 différence de températures entre terre cuite et gaz au point initial x = 0 (entrée de l’échangeur) ;
• K coefficient d’échange thermique gaz/ terre cuite ;
• l position dans le four.

On voit que la différence des températures reste constante si le rapport Qc/Q’c’ = 1. Les calculs de génie chimique montrent de même que le rendement optimal est aussi obtenu pour cette valeur du rapport des flux de capacité thermique.

Figure 47 Schéma thermique d'un four tunnel classique

Suivant la valeur de ce rapport (Qc/Q’c’ <, = ou > 1), la différence des températures entre le gaz et les produits augmente, reste constante ou diminue en se déplaçant le long du four. Pour un débit de 1 kg de produit (incluant supports, wagons), il faudrait environ 1 kg d’air/fumées car les chaleurs spécifiques de la terre cuite et de l’air sont du même ordre de grandeur. Si on ne s’intéresse maintenant qu’au kg de terre cuite (sans wagon ni support), il faut donc nettement plus, soit environ 1,5 kg d’air/kg terre cuite. L’étanchéité intervient aussi. Pour des fours peu étanches et des produits nécessitant un grand supportage, il faut avoir un tirage de 5 kg d’air/kg de charge dans la zone d’échange. Pour un four casing à joint de sable, il faut environ 3 à 3,5 kg d’air/kg de charge. Avec un four hydrocasing il faut de 1,6 à 2,5 kg d’air/kg de charge. En pratique le débit varie le long du four, compte tenu des formations de gaz de décomposition, des injections et des prises de gaz et des fuites. Un kg de produit monté à 1 000 °C nécessite environ 1 000 kJ/kg, chaleur qui est produite par 0,025 kg de gaz naturel (à 40 000 kJ/kg de gaz) soit 0,03 m3, qui nécessite 0,3 m3 d’air pour brûler. La masse des fumées est alors seulement de 0,4 kg, ce qui est trop faible pour un bon échange thermique. En pratique, les fours fonctionnent donc en fort excès d’air. Pour la consommation minimale d’énergie pour un débit matière, il faut rechercher le débit minimum d’air capable cependant d’assurer les échanges thermiques et les températures de sortie des produits. Les écoulements longitudinaux impliquent un bon contrôle de l’évolution des pressions, de la sortie du four, où l’air entre à la pression atmosphérique, se retrouve en légère surpression à la zone de cuisson, jusqu’à l’entrée de la cheminée, où il est en dépression (de quelques mm de colonne d’eau), en tenant compte des éventuelles injections d’air intermédiaires. La circulation de l’air et des fumées est assurée par un tirage artificiel (ventilateur de tirage). L’air chaud disponible en zone de refroidissement est envoyé dans les séchoirs. Avec des combustibles très corrosifs, on récupère parfois la chaleur à travers un échangeur pour ne pas envoyer de l’air pollué au séchoir. Les fours tunnels sont équipés de régulations automatiques, contrôlées par ordinateur, qui assurent une cuisson régulière, ainsi que d’une automatisation des mouvements des wagons (entrée et sortie). Ils constituent des appareillages de cuisson très précis, dotés de nombreux moyens de réglage qui permettent une grande reproductibilité et une réponse efficace aux changements de produits et de régimes.

Sur le tableau suivant , on résume des conditions typiques de fonctionnement de fours tunnels :

	Unit	Facing brick and clay pavers	Clay blocks	Horizontally perforated clay blocks	Roof tiles
Throughput	t/h	1-15	3-15	3-15	3-6
Kiln length	m	35-160	60-120	60-120	80-140
Cross section	m2	1.3-6	4-12	4-12	4-10
Setting density	kg/m3	1600-3000	1000-2500	1000-2500	1600-3500
Firing temperature	°C	1000-1300	900-1050	950-1050	1000-1150
Specific energy requirement (drying + firing)	kJ/kg	1600-3000	1000-2500*	1000-2500	1600-3500
Flue gas volume flow	m3/h	5000-20000	10000-50000	10000-50000	10000-40000
Flue gas temperature	°C	100-230	100-300	100-150	170-200

• including heat content from the pore forming agent

Tableau 29 Operating data of tunnel kilns

Les points importants du contrôle du four sont donc la courbe de température recherchée pour le produit, la distribution des températures dans la section du four, la distribution des pressions, débits et atmosphères. En pratique, les températures de zones de préchauffages et cuisson sont régulées par les brûleurs en fonction de la courbe de température voulue. Les températures des zones d’entrée et de sortie sont régulées par le contrôle des débits de gaz.

Évolution des fours tunnels

Les développements récents des fours tunnels ont été orientés vers la recherche de plus grande productivité du four, et donc d’une plus grande vitesse de passage des produits, d’une plus grande uniformité de traitement thermique et des économies d’énergie. Ce développement s’est effectué de deux façons :

• comme la vitesse du four est limitée par la zone où, dans une section, les produits sont les plus froids, on a d’abord cherché à homogénéiser les températures en recyclant les fumées chaudes de la voûte. L’homogénéisation des températures dans tous les points de la section de l’empilage est obtenue par des systèmes de brassage de l’air, mécaniques à basse température et par des brûleurs à grande vitesse à plus haute température. Ainsi de plus en plus, des brûleurs sont introduits dès la zone de chauffage et le schéma de fonctionnement du four est maintenant celui décrit figure 49;

Figure 48 Schéma thermiques des nouveaux fours tunnels

• les empilements et le chauffage par l’extérieur des produits massifs limitent les transferts de chaleur. Le rapport entre le temps de traitement du produit dans les empilements et le temps de traitement optimal du produit sans empilement peut être de l’ordre de 10 avec des empilements de briques creuses. On s’est donc efforcé de chauffer chaque tuile ou brique de façon individuelle par un passage de l’air approprié sur les produits (à travers les briques quand c’est possible et à travers les gazettes de tuile). Pour des tuiles sur des supports en H, le rapport des temps de traitement peut être réduit à la valeur 2. Ce mode de cuisson pseudo individuel est appelé « cuisson rapide ». L’extrême est obtenu en ne traitant qu’une seule épaisseur de produit, sans aucun empilage, avec par exemple des fours à rouleaux. Il n’y a plus qu’une seule couche de tuile et il n’y a plus de wagons. On arrive alors à se rapprocher des propriétés du produit individuel avec des temps de cuisson très réduits (3 heures par exemple).

Le mode de cuisson rapide se heurte cependant à un certain nombre de limitations:

• il n’est utile que si le phénomène limitant est bien le transfert thermique. Si le facteur limitant est une réaction chimique comme l’apparition de cœur noir, la cuisson rapide est inutile ;
• quand le transfert thermique est limitant, il faut que le transfert limitant soit dû à l’empilage et non au produit lui-même. La cuisson d’une brique pleine demande beaucoup de temps car le transfert dans la brique elle-même est long si on ne veut pas l’endommager. L’intérêt d’une cuisson rapide est là encore limité ;
• par ailleurs les investissements sont plus importants et les consommations énergétiques réelles ne sont pas forcément conformes aux espoirs initiaux.

Énergie consommée par l’opération de cuisson et combustibles

Consommation d’énergie

L’énergie consommée à la cuisson varie selon les produits fabriqués, la nature des matières premières et les technologies utilisées. Elle est critique car c’est de loin le premier élément du prix de revient (entre 25 et 40% du prix de revient). La chaleur de réaction pour décomposer l’eau de constitution et le calcaire dépend bien sûr du mélange et est de l’ordre de 125 à 500 kJ/kg. Ainsi la chaleur de formation de la kaolinite à partir des oxydes est d’environ 195kJ/kg . Cette chaleur ne représente qu’une fraction du total consommé. Les autres consommations sont des pertes :

• pertes dans la fumée (liées au débit et à la température de fumée à la sortie du four). C’est généralement le premier poste de perte.
• pertes dans les produits qui sortent (température de sortie des produits),
• pertes dans les posages, gazettes,… et les wagons qui sortent (masse et température de sortie des produits),
• pertes continues à travers les parois du four,
• pertes par les portes aux ouvertures,
• pertes du refroidissement sous les wagons pour les fours sans joint d’eau, qui sont généralement récupérées pour le séchoir,
• énergie fournie au séchoir par l’extraction d’air.

Les décompositions entre les différentes pertes sont évaluées par un bilan thermique détaillé du four. Les fours modernes consomment en moyenne 700 à 1 200 kJ/kg pour la cuisson elle-même. L’étude statistique allemande donne les résultats moyens obtenus sur 80 fours (voir tableau 30). On a les différentes pertes en valeur (kJ/kg) et aussi en % de l’apport combustible total.

On indique d’abord les apports en combustible. Les matières premières peuvent apparaître comme une consommation (tuile, brique apparente – chiffre positif, réactions chimiques, décarbonatation) ou comme un apport (brique de structure – en négatif, éléments porosants). On indique l'utilisation de l’énergie (pertes et récupérations). On voit donc de grandes différences selon les produits et sans doute selon les fours utilisés : l’apport des mélanges argileux en matériaux organiques peut être important avec les briques de structure. Les pertes sorties produits sont équivalentes pour les trois familles de produits car les températures de sortie sont équivalentes. Les pertes dans les fumées correspondent à peu près à la moitié de l’énergie nécessaire à la cuisson. On voit aussi que la plus grande partie de l’énergie nécessaire au séchoir (environ 1 000 kJ/kg) peut en principe être récupérée sur le four.

Combustibles

Le choix des combustibles a beaucoup évolué durant les vingt dernières années avec les orientations suivantes :

• emploi généralisé du gaz naturel, au fur et à mesure qu’il est devenu disponible, en remplacement du fuel et du charbon; pour des raisons de prix , de facilité d’emploi, de contrôle des couleurs et de propreté.
• augmentation de la consommation électrique. Elle représente actuellement plus de 10 % de l’énergie totale et est liée à la préparation des mélanges, aux brassages d'air et ventilations et aux manutentions ;
• début d’emploi d’énergie renouvelable (déchets de bois, ordures ménagères).

La répartition française actuelle des énergies consommées est donnée sur le tableau 31 .

Tableau 31 Répartition des combustibles fossiles utilisés en terre cuite en France (2001) Dans les années 2000, on a assisté à nouveau à une augmentation importante du prix du pétrole et de celui du gaz dans son sillage, qui a poussé les tuiliers et les briquetiers à revoir récemment certains choix d’énergie. Parmi les facteurs à prendre en considération, citons. le Pouvoir Calorifique Inférieur (kJ/kg) du combustible, le prix pour le PCI, la facilité de la mise en oeuvre (manutention, stockage, introduction dans le four, production et élimination des cendres et déchets…), la disponibilité et la sécurité des approvisionnements, la sécurité d’utilisation, la réglementation…, la maîtrise de la couleur des produits pour les tuiles et les briques apparentes, les problèmes de la pollution des fumées, le facteur d’émission de CO2 en liaison avec les gaz à effet de serre, En annexes 2 et 3, on donne quelques chiffres comparatifs sur ces combustibles et on discute plus en détail deux combustibles dont on parle beaucoup: Le coke de pétrole est de nos jours peu cher par rapport au gaz ou au fuel. C’est un déchet de la production du fuel. Il contient donc du soufre, comme le fuel 2 non purifié, et produit peu de cendre. A la différence du charbon, il contient peu d’éléments volatils et peut être utilisé en poudre avec une bonne sécurité. Il est transporté en granules, réduit en poudre à l’usine et transporté pneumatiquement aux brûleurs du four tunnel. Cette technique, développée déjà dans la terre cuite espagnole, se répand à l’extérieur, stimulée par le faible coût actuel du combustible. La biomasse est un terme très général qui recouvre un très grand nombre de produits renouvelables ; il peut s’agir de plantes cultivées spécialement, de déchets organiques provenant d’autres procédés (exemple grignons d’olive, déchets et sciure de bois, farines animales,..), des parties organiques d’autres déchets (exemple déchets urbains), des combustibles gazeux (exemple biogaz) ou liquides (exemple biodiesel) obtenus par gazéification, pyrolyse, combustion ou réaction biologique. On cite ainsi une briqueterie fonctionnant partiellement au biogaz, une autre aux farines animales, d’autres utilisant la sciure de bois ,comme ajout au mélange argileux et comme injections dans les brûleurs au point de couvrir 60% des besoins, utilisant la chaleur d’usine d’incinération de déchets urbains ou de la cogénération. Bon gré mal gré, les usines seront forcées à long terme de se tourner de plus en plus vers ces sources d’énergie, ce qui rendra le procédé de production plus complexe mais permettra de mieux contrôler le prix de revient.

Défauts de cuisson

Les défauts de cuisson ont une incidence directe sur le prix de revient et un contrôle soigné de production permet de les garder à un niveau économiquement acceptable. Le taux de déchet a une importance directe sur la rentabilité de la ligne. Sur une ligne de production de tuiles de 50 000 t/an, une variation de 1 % de déchet représente 500 t/an qui auraient pu se vendre pour une valeur de l’ordre de 100 000 €. Sur le tableau 32, on a indiqué les différents défauts observés à la cuisson, certains étant la conséquence de défauts antérieurs, d’autres étant provoqués par la cuisson elle-même. La plupart de ces défauts ont été déjà évoqués précédemment.