Chapitre 84 - Le verre, les céramiques et les matériaux connexes

La manutention des matériaux lors de la production, de la fabrication, de l’emballage et de l’entreposage

Figure 84.2 Manutention par ventouse de paquets de 20 à 35 kg de fibres
de verre textile

Figure 84.3 L'automatisation de la manutention des plaques de verre réduit les
risques de nature ergonomique et de coupures

Les activités de remise en état et de réfection

Figure 84.4 Travail en espace confiné lors de la réfection d'un four dans
une usine de fibres de verre

Le verre

Généralités

Le verre s’est formé naturellement à partir d’éléments présents dans la croûte terrestre bien avant qu’on ne songe à en analyser la composition, à le façonner ou qu’on le destine aux innombrables usages que nous lui connaissons aujourd’hui. L’obsidienne, par exemple, est une forme naturelle d’oxydes fondus sous l’effet de la chaleur intense des volcans et vitrifiés (transformés en verre) par un refroidissement rapide à l’air. C’est à sa teneur relativement élevée en oxyde de fer qu’elle doit sa couleur noire opaque. Sa résistance aux agents chimiques et sa dureté sont tout à fait comparables à celles de bon nombre de verres commerciaux.

La technologie du verre a une histoire vieille de 6 000 ans et certaines applications modernes remontent à la plus haute Anti-quité. L’origine des premiers verres synthétiques se perd dans la nuit des temps et dans la légende. Les Egyptiens savaient fabriquer la faïence: ils façonnaient des figurines à partir de sable (SiO₂), l’oxyde le plus courant pour la formation du verre. On le recouvrait de natron, résidu abandonné par le Nil lors de ses crues, et composé principalement de carbonate de calcium (CaCO₃), de carbonate de sodium (Na₂CO₃), de chlorure de sodium (NaCl) et d’oxyde de cuivre (CuO). En chauffant à une température inférieure à 1 000 °C, on obtenait un enduit vitreux grâce à la diffusion des fondants CaO (oxyde de calcium) et Na₂O (oxyde de sodium) dans le sable puis à leur solidification au contact du sable. L’oxyde de cuivre donnait à l’objet une belle couleur bleue.

Selon la définition de Morey, «le verre est une substance inorganique qui dérive d’une façon continue de l’état liquide et lui est analogue, mais qui, conséquence d’un changement inverse de viscosité pendant le refroidissement, atteint un tel degré de viscosité qu’on peut la considérer comme rigide pour toutes les applications pratiques». La Société américaine pour l’essai des matériaux (American Society for Testing and Materials (ASTM)) définit le verre comme «un produit inorganique de fusion qui, en refroidissant, a atteint l’état rigide sans cristalliser». Organiques ou inorganiques, des substances peuvent se transformer en verre si leur structure n’est pas cristalline — c’est-à-dire sans caractère ordonné à longue distance.

Figure 84.5 Canne de souffleur de verre

D’abord coloré à cause de la présence d’impuretés comme les oxydes de fer et de chrome, il faut remonter à environ 1 500 ans pour voir le premier verre quasiment incolore.

C’est à cette époque que l’industrie du verre commence à se développer à Rome. Elle se répand ensuite à travers l’Europe. Venise devient un important centre de verrerie. Au XIII^e siècle, nombre de ses fabriques s’installent sur l’île toute proche de Murano. De nos jours encore, Murano est un centre de production artisanale de verrerie d’art en Italie.

Au XVI^e siècle, on fabrique du verre dans toute l’Europe. La République tchèque est toujours renommée pour son verre de Bohême; le Royaume-Uni ainsi que l’Irlande produisent des articles de table en cristal au plomb de haute qualité. La Suède fabrique également des objets d’art en cristal.

En Amérique du Nord, la toute première usine fut une verrerie. Les colons anglais, en effet, commencèrent la production du verre au début du XVII^e siècle à Jamestown en Virginie.

Aujourd’hui, presque tous les pays du monde fabriquent du verre. De nombreux articles proviennent de chaînes de production entièrement automatisées. Bien que le verre soit un matériau très ancien, ses propriétés, uniques, ne sont pas encore entièrement comprises.

L’industrie contemporaine du verre comprend plusieurs grands segments de marché: le marché du verre plat, le marché des articles de ménage, le marché des récipients de verre, le marché du verre optique et la verrerie de laboratoire. Les marchés du verre optique et la verrerie de laboratoire sont généralement très organisés et dominés par un ou deux fournisseurs dans la plupart des pays. Ils représentent aussi un volume beaucoup plus faible que le marché grand public. Chacun de ces marchés a progressé au fil des années grâce à des innovations techniques ou aux progrès des modes de fabrication. L’industrie des récipients, par exemple, a bénéficié, au début du XX^e siècle, de la construction de machines ultrarapides pour la fabrication des bouteilles. Au début des années soixante, l’industrie du verre plat a connu un essor important grâce au développement du procédé du verre flotté. Aujourd’hui, l’une et l’autre pèsent plusieurs milliards de dollars E.-U. à l’échelle mondiale.

Les articles de ménage en verre comprennent quatre grandes catégories:

1. les articles de table en verre (assiettes, tasses, etc.);
2. les verres (à boire);
3. les ustensiles de cuisine allant au four;
4. les ustensiles de cuisine allant au feu.

Bien qu’il soit difficile d’obtenir des estimations mondiales, le marché de la verrerie de ménage représente, aux Etats-Unis seulement, environ 1 milliard de dollars. Selon la catégorie, le verre est en concurrence avec d’autres matériaux — la céramique, le métal et les matières plastiques.

Les procédés de fabrication

Le verre est un produit inorganique résultant d’une fusion, suivie d’un refroidissement, jusqu’à l’état rigide sans cristallisation. Dur et cassant, il se caractérise par une fracture conchoïdale. En faisant varier les matériaux amorphes ou cristallins qu’il contient, on obtient du verre coloré, translucide ou opaque.

Refroidi à partir de son état de fusion, le verre augmente peu à peu en viscosité sans cristallisation dans une plage de températures étendue jusqu’à acquérir sa forme caractéristique dure et cassante. Son refroidissement doit s’effectuer dans des conditions bien déterminées pour éviter la cristallisation ou l’apparition de trop fortes tensions internes.

Si, en théorie, tout composé possédant ces propriétés physiques est du verre, la plupart des verres du commerce, qui peuvent avoir des compositions chimiques très différentes, entrent dans l’une des trois catégories ci-après:

1. Les verres sodocalciques (contenant principalement de la silice, de la soude et de la chaux) se classent au premier rang par l’importance de leur production et la diversité de leurs utilisations; presque tout le verre plat, les récipients en verre, la verrerie domestique à bon marché produite en grande série et les ampoules électriques sont en verre de ce type.
2. Les verres de silice (et potasse) au plomb contiennent une proportion variable, mais souvent importante, d’oxyde de plomb. Leur indice de réfraction élevé est mis à profit dans l’industrie du verre optique. La facilité avec laquelle ils se laissent couper et polir en fait un matériau tout indiqué pour la verrerie domestique ou décorative soufflée. Leur haute résistivité électrique et la protection qu’ils offrent contre les rayonnements les désignent pour des applications électriques et électroniques.
3. Les verres borosilicatés ont un faible coefficient de dilatation thermique et sont résistants aux chocs thermiques, ce qui en fait d’excellents matériaux pour la verrerie de laboratoire, les ustensiles de cuisine allant au four et la fibre de verre renforçant les matières plastiques.

Plusieurs composants entrent dans la fabrication du verre commercial. Quatre à six d’entre eux pourtant dominent, obtenus à partir de matériaux comme le sable, la chaux, la dolomite, le carbonate de sodium, le borax, l’acide borique, les feldspaths, des composés du plomb et du baryum. Ajoutés en petites quantités, les autres sont choisis parmi 15 à 20 matériaux, couramment qualifiés d’additifs. Ils servent à conférer au verre, lors de la préparation, une fonction ou une qualité particulière, par exemple sa couleur.

Figure 84.6 Procédés et matériaux intervenant dans la fabrication du verre

Dans la plupart des verreries modernes, la fusion se fait dans de grands fours de régénération, de récupération ou des fours électriques en matériaux réfractaires et chauffés selon le cas au mazout, au gaz naturel ou à l’électricité. L’appoint de chauffage électrique et la fusion électrique (avec émaillage à froid) ont été universellement utilisés à la fin des années soixante et dans les années soixante-dix. C’est la lutte contre la pollution qui a fait choisir la fusion électrique, tandis que l’appoint de chauffage électrique visait généralement à améliorer la qualité du verre et à augmenter la production.

Les facteurs économiques qui jouent un rôle important dans le choix de l’électricité pour les fours de fusion du verre sont liés entre autres au prix des combustibles fossiles, à la disponibilité des différents combustibles, au coût de l’électricité et aux investissements en matériel nécessaires. Cependant, c’est la protection de l’environnement qui motive souvent au premier chef le choix de la fusion électrique ou de l’appoint de chauffage électrique. Des règlements relatifs à l’environnement réduisant rigoureusement le rejet d’oxydes ou de particules sont entrés en vigueur dans plusieurs pays. Par voie de conséquence, de nombreux verriers se trouvent confrontés à l’alternative suivante: soit réduire les émissions lors de la fusion, installer des filtres à manches ou des séparateurs afin de limiter les émissions des rejets gazeux, soit modifier le procédé de fusion et inclure la fusion électrique ou l’appoint de chauffage électrique. Dans certains cas, l’usine n’a d’autre choix que de fermer.

La partie la plus chaude du four (superstructure) peut atteindre de 1 600 à 2 800 °C. Un refroidissement contrôlé permet d’abaisser la température du verre jusqu’à 1 200 ou 1 000 °C à sa sortie du four. En outre, tous les types de verre subissent un refroidissement ultérieur (recuisson) dans un four spécial à température contrôlée ou dans une arche de recuisson. Les opérations de transformation ultérieures dépendent du type de procédé de fabrication.

Le soufflage automatique est utilisé pour la fabrication des bouteilles et des ampoules électriques en plus du soufflage artisanal traditionnel. Les articles de forme simple — isolateurs, briques de verre, verres optiques, etc. — sont pressés plutôt que soufflés. Dans certains procédés de fabrication, on associe le soufflage et le pressage. Le verre armé et le verre à dessins sont laminés. Le verre à vitres est étiré du four verticalement, ce qui lui donne une surface adoucie au feu. Sous les effets combinés de l’étirage et de la gravité, il subit certaines déformations.

Figure 84.7 Procédé continu de production de verre par flottage

Figure 84.8 Ruban de verre flotté sortant de l'arche de recuisson

La tendance de l’architecture actuelle à accroître les surfaces vitrées pour les locaux à usage d’habitation comme à usage commercial, et la nécessité de réduire la consommation d’énergie ont incité à améliorer les qualités isolantes des fenêtres. De minces films déposés à sa surface confèrent au verre des propriétés de faible émissivité ou de sélectivité du rayonnement solaire. La commercialisation de ces produits exige le recours à une technologie peu coûteuse de dépôt sur de grandes surfaces. C’est pourquoi de plus en plus de chaînes de fabrication de verre flotté sont équipées de procédés d’enduction très élaborés.

Dans les procédés de dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapour Deposition (CVD)), fréquemment utilisés, on met en contact avec un substrat chaud un mélange de gaz complexe qui, par pyrolyse, forme un dépôt à la surface du verre. En général, cela s’effectue grâce à des dispositifs à température contrôlée suspendus au-dessus de la largeur du ruban de verre soit dans le bain d’étain, soit dans l’ouverture de l’arche, soit encore dans l’arche elle-même. Leur fonction est de répartir uniformément les gaz précurseurs sur toute la largeur du ruban en contrôlant la température et d’extraire en toute sécurité les sous-produits gazeux de la zone de dépôt. Si plusieurs couches de film sont nécessaires, on place un certain nombre de structures en série au-dessus du ruban de verre.

Pour le traitement des sous-produits gazeux dégagés par l’application de ces méthodes à grande échelle, il suffit en général de recourir au procédé d’épuration humide en utilisant un filtre-presse conventionnel. Lorsqu’il s’avère difficile de faire réagir les gaz émis ou de les mouiller au moyen de solutions aqueuses, il faut recourir à l’incinération.

Certains verres optiques sont renforcés chimiquement par des procédés dans lesquels le verre est immergé plusieurs heures durant dans des bains à haute température contenant des sels fondus tels que le nitrate de lithium et le nitrate de potassium.

Le verre de sécurité comprend deux grandes catégories:

1. Le verre trempé obtenu en précontraignant, par chauffage puis par refroidissement rapide, dans des fours spéciaux, des pièces de verre plat de la forme et de la taille souhaitées.
2. Le verre feuilleté constitué par deux minces feuilles de verre plat collées sur une feuille de matière plastique (généralement du butyral polyvinylique).

Les fibres minérales vitreuses artificielles

Généralités

Les fibres minérales vitreuses artificielles sont des silicates amorphes produits à partir d’une grande variété de matériaux: verre, roche, laitier ou d’autres minéraux. Elles peuvent être continues ou discontinues. En général, les fibres continues sont des fibres de verre obtenues par extrusion au travers d’une filière et utilisées pour renforcer d’autres matériaux comme les matières plastiques afin d’obtenir des composites aux propriétés particulières. Les fibres discontinues (généralement appelées «laines») sont employées, entre autres, pour l’isolation thermique et acoustique. Dans le cadre de ce chapitre, les fibres minérales vitreuses artificielles ont été réparties en fibres de verre continues, comprenant les laines de verre servant à l’isolation faites de fibres de verre, de roche ou de laitier, et en fibres céramiques réfractaires, qui sont généralement des silicates d’aluminium.

L’étirage du verre en fusion en longues fibres était déjà connu dans l’Antiquité avant même la technique du verre soufflé. Les Egyptiens fabriquaient leurs vases en enroulant des fibres de verre autour d’une forme en argile, puis ils chauffaient le tout jusqu’à ce que les fibres fondent et s’amalgament; après refroidissement, ils cassaient le moule d’argile. Même après l’apparition de la technique du verre soufflé, au I^er siècle après J.-C., la technique de la fibre de verre était encore utilisée. Les verriers vénitiens l’ont employée aux XVI^e et XVII^e siècles pour la verrerie décorative. Ils enroulaient des paquets de fibres blanches opaques autour d’un récipient en verre transparent soufflé (par exemple, une coupe), puis les faisaient fondre en chauffant.

Même si les fibres de verre ont très longtemps servi à la fabrication d’objets décoratifs et artistiques, ce n’est qu’au XX^e siècle qu’elles ont connu leur essor. La production commerciale a démarré d’abord en Europe, puis aux Etats-Unis dans les années trente. Les laines de roche et de laitier existaient déjà depuis plusieurs années.

Les fibres de verre artificielles sont devenues un composant important de la vie moderne. Leur fabrication et leur utilisation représentent un marché mondial de plusieurs milliards de dollars E.-U. Leur emploi comme isolant a permis une réduction importante des besoins énergétiques pour le chauffage ou le refroidissement des édifices, ce qui, à son tour, a contribué à réduire la pollution globale associée à la production d’énergie. On estime à plus de 30 000 le nombre d’applications des filaments de verre continus pour le renforcement d’innombrables articles, que ce soit dans le secteur du sport, de l’informatique ou de l’aérospatiale. Développées et commercialisées à grande échelle dans les années soixante-dix, les fibres céramiques réfractaires continuent à jouer un rôle clé dans la protection des travailleurs et de l’équipement, en tant que matériau isolant, dans de nombreux procédés de fabrication à haute température.

Les procédés de fabrication

Les filaments de verre continus

Les filaments de verre, de diamètre presque uniforme, sont formés en continu en forçant le verre fondu par extrusion à travers une filière en métal précieux. Utilisées comme matériau de renforcement, les fibres doivent satisfaire à des exigences physiques spécifiques et leur diamètre est donc relativement plus grand que celui des fibres destinées à être mélangées à la laine d’isolation. Presque tous les filaments de verre continus ont un diamètre compris entre 5 et 15 µm ou davantage. Ces grands diamètres ainsi que leur relative constance lors de la fabrication éliminent les risques de problèmes respiratoires chroniques puisque les fibres sont trop grosses pour être inhalées dans les voies respiratoires inférieures.

Les fibres de verre à filament continu sont obtenues par réduction rapide des gouttes de verre en fusion sortant des orifices des filières sous l’effet de la pesanteur et y restant en suspension. L’équilibre dynamique entre les forces de tension de surface et le rétrécissement mécanique fait que la goutte de verre prend la forme d’un ménisque à l’orifice annulaire de la filière et s’effile jusqu’à avoir le diamètre de la fibre étirée. Pour que l’étirage soit réussi, il faut que le verre atteigne un degré de viscosité compris entre 500 et 1 000 poises. A des viscosités plus basses, le verre, trop liquide, se dissipe en gouttelettes; dans ce cas, la tension de surface est trop importante. A des viscosités plus hautes, la tension présente dans la fibre lors de l’affaiblissement est trop élevée. La vitesse d’écoulement du verre à travers l’orifice de la filière peut également devenir trop lente pour permettre le maintien du ménisque.

Figure 84.9 Schéma de principe d'une filière recevant directement le verre
en fusion

Figure 84.10 Schéma de principe d'une filière alimentée par des billes de verre

La conception des filières est en grande partie le fruit de l’expérience. Comme elles doivent résister au verre en fusion et assurer la stabilité de la température nécessaire pour l’extrusion des fibres, elles sont faites d’alliages de platine (alliages à 10 ou à 20% de rhodium-platine), ce dernier étant plus résistant aux déformations à températures élevées. Avant d’être réunies en une ou plusieurs mèches, à leur sortie de la filière, les fibres sont recouvertes d’un apprêt. Les apprêts d’ensimage sont principalement de deux types:

1. Les apprêts d’ensimage à base de corps gras pour les fibres destinées à être tissées en étoffes délicates ou opération similaire.
2. Les agents d’adhérisation et de revêtement pour les fibres destinées au renforcement direct des plastiques et du caoutchouc.

Figure 84.11 Filaments de verre textile sortant de la filière. Rassemblés en mèches,
ils sont ensuite bobinés pour être traités

On distingue deux types d’enducteurs:

1. Les rouleaux en caoutchouc, en céramique ou en graphite; la fibre se déplace sur des rouleaux enduits d’apprêt.
2. Les tapis roulants; à l’une des extrémités, le tapis passe sur un rouleau qui le plonge dans l’apprêt et, à l’autre, sur une barre fixe en acier chromé où les fibres s’enduisent d’apprêt au contact du tapis.

Les opérations de revêtement de protection et de rassemblement des fibres peuvent varier en fonction du type de fibres produites: fibres textiles ou de renforcement. L’objectif de base est de recouvrir les fibres d’apprêt, de les rassembler en mèches et de les placer sur le cylindre d’une bobine escamotable avec le minimum de tension.

Figure 84.12 Fabrication des fibres de verre sous forme de filaments continus

La fabrication de la laine isolante

Contrairement aux fibres de verre sous forme de filaments continus, les fibres de laine de verre isolantes et de céramiques réfractaires sont obtenues par des procédés à très haute énergie au cours desquels le matériau en fusion tombe sur des bobinoirs ou sur une série de disques en rotation. On obtient ainsi des fibres aux diamètres beaucoup plus variés que dans le cas des filaments continus. Ainsi, toutes les laines isolantes et les fibres céramiques renferment une partie des fibres de diamètre inférieur à 3,0 µm, qui risquent d’être inhalées si elles sont coupées en petits morceaux (moins de 200 à 250 µm). L’exposition à ce genre de fibres vitreuses artificielles respirables sur le lieu de travail est bien documentée.

Figure 84.13 Fabrication de fibres de laine de verre par centrifugation

Dans les procédés par rotation, on obtient les fibres de laine de verre en faisant passer le verre en fusion à travers une série de petits orifices situés dans un tambour en rotation, puis en rétrécissant la fibre primaire par soufflage d’air ou de vapeur.

Figure 84.14 Fabrication de la laine minérale (de roche ou de laitier)

Les fibres de céramiques réfractaires

La fabrication des fibres réfractaires se fait essentiellement par des méthodes de soufflage et de centrifugation, similaires à celles employées pour les laines isolantes. Dans le procédé de soufflage à la vapeur, des matières premières comme l’alumine ou la silice sont fondues dans un four électrique et la matière en fusion est étirée et soufflée à la vapeur ou grâce à un autre gaz chaud sous pression. Les fibres produites sont rassemblées sur un crible.

Comme pour les fibres de roche ou de laitier, on obtient un grand nombre de fibres longues et soyeuses. Une coulée de matière en fusion passe dans des disques tournant à grande vitesse, puis est projetée tangentiellement pour former des fibres.

L’industrie de la céramique

Généralités

L’art de la céramique remonte à l’aube de l’humanité. Au cours du temps, de nombreux styles et techniques ont vu le jour dans différentes parties du monde. Au XVIII^e siècle, l’importation d’objets délicats et richement ornés en provenance d’Extrême-Orient influença fortement une industrie florissante dans plusieurs régions d’Europe. Environ quatre siècles auparavant, le Japon avait appris de la Chine l’art de la céramique. Sous l’impulsion de la révolution industrielle et de l’amélioration du niveau de vie en Europe occidentale, la production connut un essor rapide. De nos jours, chaque pays ou presque fabrique des objets destinés à sa consommation et, pour certains, leur exportation constitue un important débouché. Dans beaucoup de régions, la production a atteint un niveau industriel. Bien que les principes de base soient restés inchangés, les méthodes de fabrication ont considérablement évolué, en particulier le façonnage ou la mise en forme de l’objet, sa cuisson et les techniques de décoration. L’utilisation croissante de microprocesseurs et de robots a permis d’automatiser considérablement les unités de production. Il existe cependant encore partout de petits artisans.

Les méthodes de fabrication

La poterie s’est d’abord faite à la main. On superpose des boudins d’argile que l’on agglomère par la pression des mains. On ramollit ensuite l’argile avec de l’eau. Lorsque tous les boudins adhèrent en une masse compacte, on façonne et on moule à la main.

Plus tard, le tour du potier fit son apparition. On place une masse d’argile au centre d’un plateau tournant et on la façonne, les mains mouillées. L’eau empêche que les mains ne collent à l’argile et conserve à celle-ci humidité et malléabilité. Les anses, les becs et autres parties saillantes sont ajoutés juste avant la cuisson.

De nos jours, on utilise souvent un moule pour réaliser une poterie de belle qualité aux parois très fines. On verse un mélange d’argile et d’eau très liquide, la barbotine, dans un moule de plâtre de Paris. Le plâtre absorbe l’eau, de sorte qu’il se dépose une mince couche d’argile sur la surface interne du moule. Quand la couche est suffisamment épaisse pour former les parois du vase, on jette ce qui reste de barbotine et on laisse la pièce humide dans le moule. En séchant, celle-ci se rétrécit légèrement et on peut alors la retirer. En général, les moules sont démontables.

Quand la pièce est parfaitement sèche, on la lisse et on la prépare en vue de la cuisson. On la place dans une boîte en argile réfractaire, la «cazette» ou «gazette», qui la protège des flammes et des gaz émis durant la cuisson, de la même façon qu’un four protège une miche de pain en train de cuire. Les cazettes sont superposées dans le four: c’est ce qu’on appelle l’engazettage et l’enfournement. Le four est une grande structure faite de briques réfractaires et entourée de veines d’air afin que les flammes du feu puissent complètement envelopper les pièces sans jamais entrer en contact avec elles, car la fumée les décolorerait.

La plupart des pièces sont cuites au moins deux fois. La première fois, on dit que la pièce est biscuitée; elle s’appelle alors le biscuit. Après cuisson, le biscuit est glacé. La glaçure est un enduit vitrifiable, transparent, que l’on applique sur une poterie pour la rendre brillante et imperméable. Les glaçures contiennent de la silice, un fondant pour abaisser la température de fusion (plomb, baryum, etc.) et des oxydes de métaux qui les colorent. Après application et séchage complet de la glaçure, la pièce est remise au four et cuite à une température très élevée à laquelle la glaçure fond et recouvre toute la surface.

Les types de céramiques

• Le grès-cérame est formé à partir d’argile claire ou foncée. On le glace avant de le mettre au four ou en cours de cuisson, en ajoutant des sels, et on le cuit jusqu’à obtenir un objet dense et dur.
• La porcelaine est blanche, vitrifiée et translucide. L’objet glacé subit une seule cuisson à très haute température pour atteindre son aspect final.
• La porcelaine de Chine ressemble à la porcelaine. L’objet glacé subit une seule cuisson à température très élevée.
• La porcelaine phosphatique est une variété de porcelaine de Chine. Elle contient environ 40% de phosphates de calcium sous forme d’os calcinés et pulvérisés.
• La terre cuite est blanche ou presque blanche. Elle subit deux cuissons; le corps de l’objet fini reste poreux. La glaçure est semblable à celle de la porcelaine, mais faite avec des matériaux moins coûteux.
• La faïence est une terre cuite recouverte d’une glaçure fine qui sert à des fins ornementales ou décoratives. La production d’un objet blanc n’est habituellement pas recherchée, et les glaçures sont fréquemment colorées.

Les procédés de fabrication

Les propriétés physiques d’une pâte céramique varient selon les composants qui entrent dans sa confection et les conditions de cuisson employées. C’est en fonction surtout de ses propriétés physiques que l’on choisit telle ou telle pâte, pour tel ou tel usage, mais on préfère généralement les pâtes blanches pour la vaisselle.

Selon leur future utilisation, on dote les produits industriels (réfractaires, isolateurs électriques, supports de catalyseurs, etc.) de propriétés physiques très diverses.

Tableau 84.1 Composants caractéristiques de la pâte céramique (%)

Pendant la cuisson, le fondant se vitrifie et lie les composants entre eux. A mesure que la quantité de fondant augmente, la température de vitrification diminue. Les dégraissants influent sur la résistance mécanique de l’objet avant et pendant la cuisson; on utilise traditionnellement le quartz (sous forme de sable ou de silex calciné) pour la fabrication de la vaisselle, sauf pour la porcelaine phosphatique, où il est remplacé par de la cendre d’os. L’alumine ainsi que d’autres charges non siliceuses largement employées dans l’industrie commencent également à l’être pour d’autres objets, y compris des céramiques ménagères.

Fabrication . La fabrication de la céramique comporte les phases suivantes:

• la préparation et le mélangeage des composants de la pâte;
• le moulage et le façonnage;
• la cuisson du biscuit (après séchage);
• l’application de la couverte ou glaçure (émaillage);
• la cuisson de la couverte ou glaçure (émaillage);
• la décoration.

La composition de la pâte dépend en partie du procédé de fabrication et en partie des qualités souhaitées pour le produit fini. Une base plastique est indispensable pour les objets façonnés par voie humide; elle ne l’est pas dans les procédés de façonnage non plastique, comme le pressage à sec. Si la base plastique n’est pas essentielle, l’argile demeure cependant le composant principal de la plupart des produits céramiques, même de ceux qui sont pressés à sec.

Tableau 84.2 Procédés de fabrication

Après le façonnage, l’objet est séché puis lissé et essuyé avec un tissu ou une éponge. Il est alors prêt pour l’opération suivante, la cuisson du biscuit.

Après la cuisson du biscuit, la glaçure est appliquée par pulvérisation ou immersion, cette dernière pouvant être manuelle ou mécanique. L’objet glacé est alors à nouveau cuit. Parfois, comme dans le cas des céramiques sanitaires blanches, la glaçure est appliquée sur l’argile séchée et il n’y a qu’une seule cuisson.

La décoration se fait sous la glaçure ou par-dessus; elle peut être peinte à la main ou imprimée mécaniquement ou par décalcomanie. Si elle se fait sur la glaçure, la pièce doit subir une troisième cuisson, parfois davantage en fonction des différentes couleurs.

Figure 84.17 Fabrication des céramiques par types

Les carreaux en céramique

Généralités

Le mot céramique désignait autrefois l’art ou la technique de fabriquer des poteries. Son étymologie remonte au grec keramos , signifiant «potier ou poterie», lui-même dérivé d’une racine sanskrite signifiant «brûler». Dans le sens où l’employaient les Grecs, il s’agissait simplement de «matière cuite» ou «terre cuite». A l’origine, donc, ce terme désignait un objet obtenu par l’action du feu sur de la terre.

Dans le cadre de cet article, nous entendons par «céramique traditionnelle» les matériaux de construction, ainsi que les objets à usage domestique ou industriel. Bien que le mot céramique évoque des procédés artisanaux, cette industrie fait souvent appel à une technologie de pointe. Une concurrence sévère parmi les fabricants a contribué à affiner les techniques et à réduire les coûts de fabrication par l’introduction d’outillage et de machines complexes, secondés par des procédés assistés par ordinateur.

Les céramiques les plus anciennes sont à base d’argile. Les premiers potiers ont découvert que sa plasticité permettait de la façonner. Afin d’en réduire le retrait et le risque de fêlure, on y a ajouté du sable et des minéraux. Aujourd’hui, on trouve dans les pâtes à base d’argile des poudres de silice ou des minéraux alcalins qui agissent comme fondant. Traditionnellement, l’argile sert de plastifiant et de liant pour d’autres composants.

Le développement de l’industrie

La production de carreaux en argile sèche et cuite remonte à des origines très anciennes, aux temps où le Moyen-Orient était la Mésopotamie. L’industrie des carreaux de céramique fine s’est développée essentiellement en Europe et, dès le début du XX^e siècle, on y a produit des carreaux de pavement (pour les sols) et de revêtement (pour les murs) à l’échelle industrielle. Le secteur s’est encore développé après la seconde guerre mondiale. C’est en Europe (Italie et Espagne, en particulier), en Amérique latine et en Extrême-Orient que se concentre aujourd’hui la production industrielle de carreaux de pavement et de revêtement.

L’introduction de nouvelles technologies, l’automatisation et l’intégration de stades de production dans le processus de fabrication ont permis un essor important de ce secteur d’activité à partir des années quatre-vingt. Il en est résulté des gains de productivité et une meilleure efficience en même temps qu’une réduction de la consommation d’énergie et des coûts. La fabrication des carreaux à pâte humide ou sèche est à présent continue, et beaucoup d’usines sont aujourd’hui presque entièrement automatisées. Parmi les innovations les plus marquantes des années quatre-vingt, il faut citer le broyage humide, le séchage par pulvérisation, le pressage à sec à haute pression, les techniques de séchage au tambour et de cuisson rapide.

On estime que le marché du carreau en céramique aux Etats-Unis (production plus importations) a augmenté à un taux composé annuel de 9,2% entre 1992 et 1994, les ventes étant estimées à 1,3 milliard de dollars en 1994. En même temps, le volume des ventes a augmenté au taux composé annuel de 11,9% pour atteindre 0,1 milliard de mètres carrés. Ces chiffres sont à comparer à une progression du marché de 7,6% en valeur et de 6,9% en volume entre 1982 et 1992.

La classification des carreaux de céramique

La céramique rouge et la céramique blanche

On trouve sur le marché de nombreux types de céramique. Ils se distinguent par la texture de la surface, la couleur de la pâte (blanche ou rouge), la technique de fabrication, les matières premières et l’utilisation finale. La quantité de composés ferreux présents dans la pâte donne aux céramiques leur couleur «blanche» ou «rouge». En réagissant avec les autres composants de la pâte, ils donnent une couleur plus ou moins intense et modifient le comportement de la pâte durant la cuisson.

Etant donné l’extrême diversité des carreaux, de leur mode de fabrication et des caractéristiques qui en découlent, il est pratiquement impossible d’établir une classification complète et exhaustive. Dans ce chapitre, on se référera aux normes européennes (EN) et à celles de la Société américaine pour l’essai des matériaux (American Society for Testing and Materials (ASTM)).

Les normes européennes classent les carreaux en céramique exclusivement selon leur pouvoir d’absorption de l’eau (qui est en corrélation directe avec la porosité) et leur mode de façonnage (extrusion ou pressage). Les méthodes de façonnage sont classées comme suit:

• procédé A de fabrication (carreaux extrudés pour sols). Ce procédé comprend les carreaux avec amorce de rupture et les carreaux extrudés individuellement;
• procédé B de fabrication (carreaux pressés à sec pour sols et murs).

La norme européenne EN 87, approuvée en novembre 1981 spécifie que «les carreaux en céramique pour sols et murs sont des matériaux de construction destinés généralement au revêtement des sols et des murs, tant à l’intérieur qu’à l’extérieur, quelles qu’en soient la forme ou la taille».

L’Institut américain de normalisation (American National Standards Institute (ANSI)), dans ses spécifications pour les carreaux en céramique (ANSI, 1988), donne les définitions ci-après:

• Carreau de mosaïque: carreau façonné soit par pressage, soit sous forme de pâte plastique mesurant habituellement de 6,4 à 9,5 mm d’épaisseur et ayant une aire inférieure à 39 cm². Composés de porcelaine ou d’argile naturelle, les carreaux de mosaïque sont unis et peuvent rester en l’état ou comporter un mélange abrasif.
• Carreau de décoration murale: carreau vernissé, de faible épaisseur, habituellement non vitreux. Sa faible résistance aux chocs le destine plutôt à la décoration intérieure des murs des lieux d’habitation.
• Dalle de sol: carreau en porcelaine, vernissé ou non, en argile naturelle. Il est formé par pressage à sec et a une aire d’au moins 39 cm².
• Carreau en porcelaine: carreau mosaïque ou dalle, de matière très dense, étanche, à grains fins et lisses, très bien calibré, formé par pressage à sec.
• Dalle de pavement: vernissée ou non, elle est formée par extrusion à partir d’argile naturelle ou de schiste, et a une aire d’au moins 39 cm².
• Carreau mural: carreau vernissé, adapté à un usage intérieur et généralement non vitrifié. Il n’est pas destiné à résister à des chocs excessifs ou à être exposé à de forts écarts de température (gel et dégel, par exemple).
• Carreau individuel fin: carreau non vernissé (carreau de mosaïque, dalle de pavement, dalle de sol) et carreau vernissé (carreau mural vernissé, carreau mosaïque vernissé, dalle de pavement vernissée, dalle de sol vernissée) (ANSI, 1988).

Les carreaux sont fabriqués à partir de céramique selon des procédés types. Les carreaux pour revêtement de sols et de murs sont préparés à partir d’un mélange d’argile, de sable, de fondants, d’agents colorants et d’autres composants minéraux. Ils sont soumis à une série d’opérations: concassage, criblage, malaxage et mouillage. Ils sont façonnés par pressage, extrusion, moulage, etc., généralement à température ambiante, séchés puis cuits à haute température. Ils peuvent être vernissés, non vernissés ou engobés. Les glaçures sont des enduits d’aspect vitreux qui rendent les carreaux imperméables et brillants; les engobes sont mats, à base d’argiles, et peuvent être poreux. Les carreaux vernissés destinés au revêtement des sols et des murs subissent une cuisson simple ou double.

Les pâtes des céramiques traditionnelles sont façonnées selon diverses techniques. Le choix de chacune dépend de nombreux facteurs: les caractéristiques du matériau, la taille et la forme des différentes parties, leur spécification, la quantité produite et les habitudes de la région de production.

Tableau 84.3 Additifs chimiques permettant d'améliorer le traitement des poudres
et la mise en forme des céramiques

L’influence de l’industrie des céramiques de pointe (ou néocéramiques) sur l’industrie traditionnelle va bien au-delà de la création de produits et de la mise au point de techniques en vue de nouvelles applications. On peut en effet s’attendre à ce que l’industrie traditionnelle utilise de nombreux matériaux et procédés technologiques de pointe qui lui permettront de réduire les coûts de fabrication, d’améliorer la qualité et de proposer à l’utilisateur des produits toujours plus performants.

Les matières premières

Certaines matières premières jouent un rôle fondamental dans l’industrie de la céramique, employées telles quelles ou comme base de matériaux améliorés:

• la silice;
• l’argile;
• l’alumine;
• la magnésie;
• l’oxyde de titane;
• l’oxyde de fer;
• le zircon/la zircone.

Nous nous attacherons ici aux propriétés de la silice, de l’alumine, du zircon et de la zircone.

La silice, outre son utilisation dans les céramiques réfractaires et les céramiques fines, est le matériau de base pour l’obtention de silicium élémentaire, de carbure de silicium et de tétrachlorure de silicium. Le silicium à son tour permet d’obtenir du nitrure de silicium, et le tétrachlorure de silicium est le précurseur de nouveaux dérivés organiques qui peuvent être pyrolysés dans des conditions contrôlées pour donner du carbure de silicium et du nitrure de silicium de haute qualité.

En dépit de leur tendance à l’oxydation, le nitrure de silicium et ses dérivés Sialon®, tout comme le carbure de silicium, peuvent présenter nombre de propriétés recherchées par le marché du moteur thermique. La silice et les matériaux céramiques qui en sont dérivés sont abondants dans la croûte terrestre, et l’on peut théoriquement s’en procurer facilement dans le monde entier. Dans la pratique, toutefois, la production du silicium et du carbure de silicium exige beaucoup d’énergie. Par conséquent, la fabrication de ces matériaux se limite aux pays ayant une énergie électrique peu coûteuse et facilement disponible.

L’alumine est présente dans toute la croûte terrestre, dans les minéraux silico-alumineux. Des considérations économiques imposent de l’extraire de la bauxite par le procédé Bayer. La bauxite, abondante dans la zone équatoriale à différents états de pureté, se classe en deux groupes: minerai réfractaire et minerai métallurgique.

La bauxite de qualité réfractaire vient de Chine et de Guyane sous forme de calcinat obtenu sous haute température: diaspore (Al₂O₃ × H₂O) en Chine et gibbsite (Al₂O₃ × 3H₂O) en Guyane. Durant la calcination, il se forme une phase complexe d’amalgame de corindon (Al₂O₃), mullite, verre de silice et, à un degré moindre, titanate d’aluminium. La consommation mondiale de bauxite réfractaire dépasse 700 000 tonnes par an.

La bauxite de qualité métallurgique est extraite en Australie, en Jamaïque et en Afrique de l’Ouest. Elle a des teneurs variables en alumine, selon la présence d’impuretés comme l’oxyde de fer et la silice. On extrait l’alumine du minerai par dissolution à l’aide d’hydroxyde de sodium. La bauxite est broyée en présence d’une solution de soude concentrée, puis lavée sous pression. L’alumine se dissout sous forme d’aluminate; les résidus, séparés par décantation et lavage à contre-courant, constituent des boues rouges. L’hydroxyde d’aluminium pur est précipité à partir de l’aluminium de sodium puis calciné pour obtenir différentes qualités d’alumine.

Les alumines très pures utilisées dans l’industrie de la céramique obtenues par le procédé Bayer sont classées en alumine tabulaire, alumine fondue et alumine calcinée.

L’alumine tabulaire est produite par calcination à haute température (~2 000 °C ou 3 630 °F) d’alumine calcinée à basse température dans de grands fours rotatifs fonctionnant au mazout. L’alumine fondue est produite par fusion électrique de l’alumine calcinée. Après avoir été concassées et calibrées, l’alumine tabulaire et l’alumine fondue sont vendues sous cette forme à l’industrie du réfractaire pour être utilisées dans une grande gamme de produits de haute qualité, comme dans les réfractaires moulés en continu (par exemple, busettes à tiroir), réfractaires monolithiques pour les hauts-fourneaux et l’industrie pétrochimique.

Les poudres d’alumine calcinée sont les principales matières premières de l’industrie des néocéramiques destinées aux applications techniques et électroniques. Elles sont produites avec une grande variété de teneurs selon des spécifications rigoureuses sur le plan de la chimie, de la granulométrie et du type cristallin en vue d’applications très diverses des produits finis.

Le marché mondial des alumines de haute qualité est bien établi. La plupart des fabricants de céramiques possèdent leurs propres stations de broyage et de séchage par atomisation. Il y a bien sûr une limite à la croissance de ces systèmes et un besoin incessant de procurer une alumine adaptée à l’utilisation de manière à fabriquer le meilleur produit à un prix acceptable. L’alumine est un composant important de la céramique que l’on trouve à un état de pureté presque parfait. Sa position dominante tient à ses propriétés et à son coût relativement bas, qui est dû à la forte demande de l’industrie de l’aluminium.

Zircon et zircone . Présent dans le sable des plages d’Australie, d’Afrique du Sud et des Etats-Unis, le zircon (ZrO₂ SiO₂) est le minerai de base pour l’obtention de la zircone. Le zircon extrait du sable des plages contient ~2% d’oxyde de hafnium et des traces de Al₂O₃ (0,5%), Fe₂O₃ (0,1%) et TiO₂ (0,1%). De plus, tous les zircons contiennent des traces d’uranium et de thorium. Le zircon est broyé pour produire des poudres de particules de différentes granulométries que l’on utilise dans le moulage, les fonderies et les réfractaires, ainsi que pour opacifier les glaçures des céramiques fines.

Le zircon est aussi la principale source de zircone. Il peut être chloré en présence de carbone pour produire des tétrachlorures de zirconium et de silicium qui sont ensuite séparés par distillation. Le tétrachlorure de zirconium peut servir directement à la préparation de la zircone ou de la matière de base pour l’obtention d’autres composés du zirconium. Les frittages avec des alcalis ou des oxydes alcalino-terreux sont utilisés pour décomposer le zircon. La silice est séparée des produits de décomposition par lessivage à l’eau, l’hydroxyde de zirconium est purifié par dissolution acide et reprécipitation. On obtient alors la zircone en calcinant l’hydroxyde. Le zircon est également transformé en zircone et en silice dans un plasma à 1 800 °C (3 270 °F) avec refroidissement rapide pour éviter un amalgame. On élimine la silice libre par dissolution dans de l’hydroxyde de sodium. La zircone fondue est produite dans des fours à arc électrique à partir de baddeleyite ou de zircon/carbone. Avec cette dernière méthode, la composante silice du zircon est réduite par un procédé carbothermique en monoxyde de silicium qui se volatilise avant la fusion de la zircone résiduelle.

Résumé

L’industrie de la céramique industrielle est très variée et de nombreux traitements ont lieu sur place. La plupart des opérations finales de fabrication se font dans des atmosphères qui s’apparentent à celles des fonderies. Les matériaux mis en œuvre à ce stade dégagent une fine poussière susceptible d’être nocive. Ils sont ensuite portés à de très hautes températures et fondus ou frittés en de petites pièces de différentes formes. L’industrie de la céramique connaît donc nombre des problèmes inhérents à toutes les industries de haute température.

Les briques, les tuiles et les carreaux

Généralités

Depuis l’aube des temps, l’être humain a utilisé l’argile presque partout dans le monde comme matériau de construction sous forme de briques, tuiles et carreaux. Fabriqués et cuits selon les règles, ces matériaux résistent mieux que certaines roches aux intempéries, ainsi qu’aux variations importantes de température et d’humidité. La brique est un parallélépipède rectangle dont la taille diffère légèrement d’une région à l’autre mais qui, pour l’essentiel, peut être manipulée facilement d’une seule main par un maçon; les tuiles sont des plaques fines, plates ou rondes; les carreaux sont employés comme revêtement des sols.

L’industrie de la brique est très fragmentée. Partout, on trouve de petits fabricants locaux. Les briqueteries tendent à s’adresser à des fournisseurs et à des marchés locaux à cause du coût de transport du produit fini. En 1994, on dénombrait 218 briqueteries aux Etats-Unis et, en 1992, le nombre de producteurs d’articles à base d’argile s’élevait à 182 au Royaume-Uni. Les briqueteries sont généralement situées près des dépôts d’argile afin de réduire le coût du transport de la matière première.

Aux Etats-Unis, les briques sont principalement utilisées dans la construction résidentielle, comme matériau porteur ou matériau de façade. L’industrie de la brique est si intimement liée à celle du logement qu’elle en est fortement tributaire et qu’elle dépend presque entièrement de la construction résidentielle et non résidentielle.

Les procédés de fabrication

Les matériaux et les procédés

Le matériau de base est l’argile de différents types avec des mélanges de glaises, schistes et sable, selon les ressources et les besoins locaux qui donnent au produit texture, plasticité, régularité, retrait et couleur voulus.

Figure 84.18 Fabrication des briques et des carreaux

L’argile pour briques extrudées est concassée par des rouleaux; on ajoute de l’eau dans un mélangeur. Le mélange est à nouveau broyé puis envoyé dans un malaxeur à axe horizontal. L’argile plastique extrudée est alors coupée à dimension sur la table de coupe au fil. Le matériau plastique semi-sec ou rigide est produit par laminage et criblage puis envoyé vers des presses mécaniques. Certaines briques sont encore façonnées à la main.

Si on utilise un matériau plastique, il faut faire sécher les briques au soleil et à l’air ou, plus souvent, dans des fours régulés avant de les cuire. Les briques en plastique semi-sec ou rigide peuvent être cuites immédiatement. La cuisson peut s’effectuer dans des fours circulaires, souvent chargés à la main, ou dans des fours tunnels, chargés mécaniquement. Le combustible utilisé dépend des ressources disponibles localement. Une glaçure de finition est appliquée sur certaines briques décoratives.

Les matériaux réfractaires

Généralités

Les matériaux réfractaires évoquent traditionnellement des composés non métalliques résistant à la corrosion par des gaz, des liquides ou des solides à de hautes températures. Ils doivent résister au choc thermique causé par un échauffement ou un refroidissement rapide, aux fissures imputables aux contraintes thermiques, à la fatigue mécanique due au contact avec d’autres matériaux et aux attaques chimiques activées par la température élevée de l’environnement. On les emploie dans la fabrication de la plupart des produits céramiques et, plus spécialement, dans les fours, séchoirs, fourneaux et pièces de moteur soumises à de hautes températures.

Ce n’est que récemment que des matériaux non minéraux sont entrés dans la composition des réfractaires, bien que les minéralogistes aient toujours orienté leurs recherches dans ce domaine. Depuis le Moyen Age, les métallurgistes avaient réalisé des expériences en utilisant les scorifications acides et basiques et avaient inventorié certains avantages des deux méthodes. Les artisans des réfractaires avaient en conséquence mené des expériences avec du quartzite, d’autres minéraux de silice presque pure et de la magnésite — qui renferme surtout du carbonate de magnésium (MgCO₃) — qu’ils calcinaient pour obtenir de la magnésie (MgO). Avec l’invention du convertisseur Bessemer pour la fabrication de l’acier en 1856, associant des températures de fonctionnement supérieures à 1 600 °C et la scorification acide, les réfractaires en silice «acide» étaient quasiment nés. Lorsque le four à foyer ouvert Siemens, fonctionnant à des températures encore plus élevées, fit son apparition en 1857 et que la fabrication de l’acier se concentra alors sur la scorification basique, on introduisit bientôt des recouvrements intérieurs en magnésite «basique». Pendant la première guerre mondiale, des réfractaires basiques à base de dolomie calcinée (MgO-CaO) furent mis au point quand les alliés furent coupés de leurs sources d’approvisionnement européennes en magnésite. Plus tard, avec la mise en valeur d’autres ressources minérales dans le monde entier, la magnésite reprit sa place.

Parallèlement, depuis 1863, le Royaume-Uni fabriquait des briques au carbone lié. On finit par les employer dans les hauts-fourneaux des aciéries, qui fonctionnaient à des températures de plus en plus élevées. Elles furent aussi très vite utilisées dans les cellules de Hall-Héroult pour la production de l’aluminium (1886).

Pendant quelque cinq millénaires, la chaux fut fabriquée dans des fours en argile, puis en briques réfractaires. Après l’introduction des fours rotatifs, en 1877, la fabrication du ciment Portland nécessita un nouveau type de réfractaire. Les premiers garnissages furent en mâchefer ciment-ciment. Plus tard, cette industrie utilisa des réfractaires plus résistants.

Les fours à récupération et à régénération, apparus dans les années mille huit cent cinquante dans la toute jeune industrie de l’acier, furent introduits dans la métallurgie des non-ferreux et dans la fabrication du verre à la fin du XIX^e siècle. Là aussi, les réfractaires en argile avaient fait leur temps. Les garnissages en magnésite furent utilisés dans les convertisseurs en cuivre à partir de 1909 et, une dizaine d’années plus tard, dans les premières cuves en verre modernes. Les fours à arc, utilisés d’abord pour la fabrication de l’acier en 1853, se répandirent après 1890. Une unité traitant environ 100 tonnes, installée aux Etats-Unis en 1927, avait un garnissage en magnésite.

Le besoin de réfractaires plus performants ne se fit sentir qu’avec l’apparition des fours à arc à trois phases, dans les années quarante, période où fut introduit le soufflage d’oxygène dans les convertisseurs Bessemer et les fours Martin. Les fours basiques (convertisseurs basiques) ont littéralement envahi le secteur de l’aciérie à la fin des années cinquante. L’insufflation d’oxygène, du seul fait de son importance économique, incita l’industrie des réfractaires à utiliser pour la première fois des matériaux synthétiques à grande échelle dans la fabrication de ses produits.

Les réfractaires modernes

D’artisanat, la céramique est devenue une science appliquée. La Société américaine de céramique (American Ceramic Society) avait été fondée en 1899, et la Société britannique de céramique (British Ceramic Society) en 1901. On a commencé à parler des diagrammes de phase des oxydes dans les années vingt. Les techniques de la pétrographie étaient bien développées et les mécanismes de dégradation et d’usure des réfractaires commençaient à être mieux compris. Les producteurs américains de réfractaires, réorganisés et regroupés, étaient à même de financer leur propre recherche. Les outils de synthèse des réfractaires et les instruments d’investigation étaient en plein développement.

Les carbones synthétiques industriels n’étaient certes pas nouveaux. Le coke fut obtenu à partir de la houille dans les années mille huit cent soixante et, peu après, à partir du pétrole. Le graphite synthétique et le carbure de silicium firent leur apparition à peu près simultanément au début du siècle, à la suite de l’invention par Acheson, en 1896, du four électrique chauffé par autorésistance. Ces produits, aux propriétés fort différentes des oxydes, ont rapidement trouvé leurs propres usages et leurs marchés.

L’alumine synthétique, Al₂O₃, était disponible depuis que le procédé Bayer l’avait utilisée pour la production de l’aluminium vers 1888. La magnésie synthétique (MgO) fut d’abord fabriquée à partir d’eau de mer au Royaume-Uni en 1937 et aux Etats-Unis en 1942, sous la pression des besoins en magnésium en temps de guerre. On trouvait aussi de la zircone, également à cause des besoins militaires. La chaux a de tout temps été une matière première d’importance majeure. Beaucoup d’autres produits chimiques pouvaient être envisagés comme composants des réfractaires ou comme additifs ou liants mineurs. Le seul composant important des oxydes réfractaires qui ait résisté aux synthétiques est la silice (SiO₂). Les roches et sables de silice à haute pureté abondent et sont utilisés dans l’industrie des réfractaires ainsi que dans la verrerie.

Si l’utilisation de produits synthétiques a constitué un avantage précieux pour l’industrie des réfractaires, les matières premières minérales n’ont aucunement perdu leur place. Les matériaux synthétiques coûtent plus cher et ce surcoût doit être justifié. Certains posent des problèmes sérieux au niveau de la fabrication des réfractaires et il faut trouver les moyens de les résoudre. On a souvent obtenu des résultats optimaux en associant matières premières synthétiques et minérales dans un procédé original.

Des mélanges d’argile et de carbone étaient employés pour le garnissage des creusets et des poches de coulée à l’époque où la fonte était coulée; des briques de silice contenant du carbone étaient fabriquées en France dans les années mille huit cent soixante. Depuis 1960, aussi bien les techniques que les compositions ont profondément changé. L’utilisation d’oxydes réfractaires carburés s’est fortement développée, en commençant par MgO+C. L’élan initial a sans doute été donné par les convertisseurs basiques; aujourd’hui, il n’y a pratiquement plus de type de réfractaire à l’oxyde auquel on n’ait pas ajouté du carbone ou un précurseur du carbone afin d’en améliorer les performances dans des applications spécifiques.

Dès le début des années mille neuf cent, on fabriquait des particules ou des agglomérats réfractaires fondus à l’arc et, dans les années vingt et trente, des briques réfractaires coulées de compositions diverses — par exemple, mullite, alumine, magnésie-alumine-silice et alumine-zircone-silice. En règle générale, ces produits étaient entièrement fabriqués à partir de matières premières minérales.

Les réfractaires entièrement minéraux gardent aujourd’hui encore une place importante. Dans l’ensemble, ils sont moins chers et ont des propriétés remarquables qui permettent de les employer dans de nombreuses applications n’exigeant pas une réfractarité et une résistance à la corrosion maximales.

L’industrie des réfractaires

Si beaucoup d’industries les emploient pour le garnissage intérieur des chaudières, fours et hauts-fourneaux en tous genres, la majeure partie des réfractaires est utilisée dans la métallurgie. En sidérurgie, un haut-fourneau ou un four à sole peuvent utiliser plusieurs types de réfractaires, à base de silice, de chrome ou de magnésite ou d’argile réfractaire.

Les industries ci-après les mettent en œuvre également, mais en moindre quantité: gaz, coke et sous-produits; centrales électriques; usines chimiques avec étuves et réchauds; industrie du ciment et de la chaux; céramique; verre; émaux et glaçures; fabrication de locomotives et de navires; réacteurs nucléaires; raffineries de pétrole; élimination des déchets (incinérateurs).

Les procédés de fabrication

Le type de réfractaire utilisé dans une application donnée dépend des propriétés requises du procédé. Par exemple, si l’on recherche une résistance à la corrosion par les gaz ou les liquides, il faut une faible porosité, une haute résistance physique et une résistance à l’abrasion. Les procédés demandant une faible conductivité thermique feront appel à des réfractaires totalement différents. En pratique, on associe généralement plusieurs réfractaires. Il n’existe pas de frontière bien définie entre matériaux réfractaires et matériaux non réfractaires, même si l’on a dit que, dans la pratique, la capacité de résister à des températures supérieures à 1 100 °C sans ramollissement était le critère permettant de parler de matériaux réfractaires industriels.

C’est en fonction des caractéristiques et performances d’un réfractaire dans une application particulière que l’on définit ses critères de fabrication. Il s’agit de choisir les matières premières ainsi que les méthodes et les paramètres du procédé de fabrication. Les exigences de la fabrication dépendent de la composition de la phase et de la microstructure — qui constituent le caractère du matériau — qui sont développées pendant la fabrication et sont responsables des propriétés et du comportement du produit.

Les matières premières

Autrefois, les matières premières des réfractaires étaient choisies parmi divers gisements et extraites sélectivement, ce qui permettait d’avoir des matériaux possédant les propriétés désirées, et seul était nécessaire un enrichissement dans le cas de matières premières coûteuses, telles que la magnésite. Aujourd’hui, cependant, la demande de matières premières naturelles très pures ne cesse d’augmenter, de même que la demande de grains réfractaires préparés synthétiquement à partir de mélanges de matières premières de haute pureté et enrichies. Le matériau produit par la cuisson de minerais extraits des mines ou de mélanges synthétiques s’appelle le grain, le mâchefer ou la chamotte.

Les produits réfractaires sont généralement classés en quatre catégories: aluminosilicates, produits acides (silice), produits basiques et produits divers.

1. Les réfractaires aluminosilicatés . L’argile réfractaire est composée principalement de kaolinite [CAS 1318-74-7] (Al₂ 0₃2SiO₂ 2H₂ O), et contient de petites quantités d’autres minéraux argileux, de quartzite, d’oxyde de fer, de titane et des alcalis sous forme d’impuretés. L’argile peut être utilisée crue ou calcinée. Les argiles crues peuvent être broyées ou finement moulues pour être incorporées à un mélange réfractaire. Certains kaolins très purs sont transformés en coulis, criblés, séchés et placés dans un lieu ventilé pour leur donner une haute qualité uniforme. Les différents types d’argiles peuvent être mélangés, extrudés ou réduits en grains et calcinés pour produire la chamotte kaolinitique synthétique calcinée, ou la kaolinite crue grossièrement broyée peut être brûlée pour obtenir la chamotte. Après calcination ou brûlage, la kaolinite se décompose en mullite et verre de silice renfermant des impuretés des minerais présents dans le gisement (par exemple, quartzite, oxyde de fer, dioxyde de titane et alcalis). Elle est alors compactée à haute température en chamotte granulaire.
2. Les réfractaires siliceux ou acides utilisent principalement la silice sous forme de quartzite broyé et moulu (ganister) (92 à 98%), auquel on ajoute un liant comme la chaux (CaO). Les briques de silice subissent généralement une double cuisson, car elles se dilatent à la chaleur (les briques d’argile réfractaires se rétractent) et il est préférable de ne commencer à construire la paroi ou le garnissage d’un four qu’une fois la dilatation achevée.
3. Les réfractaires basiques utilisent la dolomie, la magnésite (MgO), l’oxyde de chrome, le fer et l’aluminium.
4. Les autres réfractaires . Parmi les très nombreux matériaux utilisés aujourd’hui, les plus courants sont les carbures comme le carbure de silicium, le graphite, l’alumine, l’oxyde de béryllium (ou glucine), la thorine, l’oxyde d’uranium, l’amiante et l’oxyde de zirconium.

L’industrie a connu plusieurs révolutions. Parmi elles, la mécanisation permettant la manutention de solides en grande masse, le développement des capacités et de l’automatisation des procédés de fabrication ainsi que les techniques d’acquisition et d’analyse rapide de données sur le contrôle en cours de fabrication. Ces progrès ont transformé l’industrie des réfractaires.

Figure 84.19 Diagramme de fabrication des réfractaires

Ces diagrammes génériques représentent en fait des milliers de procédés qui se distinguent, par exemple, par la liste des matières premières employées, le mode de préparation, la quantification et le dosage de ces dernières, la séquence ou encore le mode de mélangeage, etc. Il est possible d’omettre des étapes — par exemple, certains réfractaires non formés sont mélangés à sec et jamais mouillés jusqu’à leur mise en œuvre.

Les réfractaires ou produits peuvent être préformés (façonnés) ou formés et posés sur le site, mais en général, ils sont fournis sous les formes ci-après:

Brique. La brique réfractaire de dimension standard a 23 cm de long, 11,4 cm de large et 6,4 cm d’épaisseur (brique droite). Les briques peuvent être extrudées ou pressées à sec sur des presses mécaniques ou hydrauliques. Les formes peuvent être cuites avant l’emploi ou liées par de la résine, un liant chimique ou du brai.

Formes coulées par fusion . Les composants réfractaires sont fondus à l’arc et coulés dans des moules (par exemple, les réservoirs de verre fondu peuvent atteindre 0,33 × 0,66 × 1,33 m). Après coulage et cuisson, les blocs sont meulés pour permettre un ajustage précis.

Réfractaires coulés et moulés à la main. Les grandes pièces, telles que blocs de brûleurs ou de flottaison ou les formes compliquées comme les parties d’un distributeur de verre, les cazettes, etc. sont produites par engobe ou moulage hydraulique de ciment ou par moulage à la main. Comme ces techniques requièrent beaucoup de main-d’œuvre, elles sont réservées aux objets qui ne peuvent être façonnés autrement.

Réfractaires isolants . Les réfractaires isolants sous forme de briques sont beaucoup plus légers que les briques traditionnelles de même composition en raison de leur porosité.

Bétons réfractaires et mélanges pour gunitage. Les bétons réfractaires sont formés de grains réfractaires auxquels on ajoute un liant hydraulique. Après addition d’eau, l’agent hydraulique réagit et lie le tout ensemble. Les mélanges pour gunitage sont conçus pour être pulvérisés sous pression d’eau et d’air à travers l’orifice du pistolet. Le mélange peut être mouillé au préalable ou ajouté à l’eau au niveau de la busette.

Réfractaires plastiques et mélanges à tasser. Les réfractaires plastiques sont des mélanges de grains réfractaires et d’argiles plastiques ou de plastifiants avec de l’eau. Les mélanges à tasser peuvent ou non contenir de l’argile et ils sont généralement utilisés avec des moules. La quantité d’eau ajoutée avec ces produits varie, mais elle est maintenue au minimum.

Les risques professionnels et les précautions

Tableau 84.5 Risques potentiels pour la sécurité et la santé lors de la fabrication
du verre, des céramiques et des matériaux connexes

Les problèmes de sécurité et de santé et les types de maladies

Cette partie donne une vue d’ensemble des problèmes documentés ou soupçonnés de sécurité et de santé de cette branche. Des recherches sur Internet (en 1997) n’ont pas permis de trouver des données internationales sur les accidents et les maladies. Les données recueillies par le ministère du Travail américain (US Department of Labor), de l’Administration de la sécurité et de la santé au travail (Occupational Safety and Health Administration (OSHA)) et par le Bureau des statistiques du travail (Bureau of Labor Statistics (BLS)) ont servi à identifier les risques sur le lieu de travail et à décrire les caractéristiques des accidents et des maladies. Ces données devraient être représentatives de la situation dans le monde.

Les risques identifiés durant les inspections

Les inspections qui ont lieu régulièrement dans les entreprises fabriquant des produits en pierre, argile, verre et ciment (code 32 de l’International Standard Industrial Classification (ISIC) correspondant au code 36 de la Classification internationale type, par industrie, de toutes les branches d’activité économique (CITI) révèlent des risques communs dans ce secteur. Le dépouillement des mises en demeure délivrées par l’OSHA pour non-application du règlement permet de regrouper les problèmes de sécurité et de santé comme suit:

Les types d’accidents du travail et de maladies professionnelles

Les taux d’incidence des accidents et des maladies

Selon les données du ministère du Travail américain, les fabricants de produits en pierre, argile et verre (code ISIC 32) ont un taux d’incidence de maladies à déclaration obligatoire ou d’accidents non mortels de 13,2 cas par 100 travailleurs à temps plein et par an. Ce taux est plus élevé que celui de l’ensemble des industries manufacturières (12,2) et de toute l’industrie privée (8,4). Environ 51% des accidents entraînant des lésions et étant soumis à déclaration dans le secteur de la production d’articles en pierre, en argile et en verre ne donnent pas lieu à des arrêts de travail.

Le ministère du Travail américain fournit également les taux d’incidence des «cas entraînant une absence au travail» par 100 travailleurs à temps plein, sur la base du nombre de maladies ou d’accidents invalidants ayant entraîné une absence au travail. Le taux d’incidence global des jours de travail perdus comprend les jours où le travailleur n’est pas capable d’effectuer complètement son travail qui est alors réduit ou allégé. Il est dans ce secteur de 6,5 pour 100 travailleurs et par an. Ce taux est supérieur à celui de l’ensemble des industries manufacturières (5,5) et de l’industrie privée (3,8). Dans environ 93% des cas, les journées de travail perdues dans ce secteur résultent d’accidents plutôt que de maladies professionnelles.

Tableau 84.6 Taux d'incidence¹ des accidents du travail et des maladies
professionnelles non mortels pour 100 travailleurs à temps plein dans les entreprises
américaines, code ISIC 32, secteur privé et industries manufacturières, 1994

nca = non classé ailleurs. — = donnée non disponible.

¹ Les taux d’incidence représentent le nombre d’accidents et de maladies par 100 travailleurs à temps plein; ils ont été calculés en prenant le nombre d’accidents et de maladies, en le divisant par le nombre d’heures ouvrées par tous les travailleurs pendant l’année en cours et en multipliant le résultat obtenu par 200 000 (équivalent de base en nombre d’heures ouvrées par 100 travailleurs travaillant 40 heures par semaine pendant 52 semaines par an). ² Standard Industrial Classification Manual , édition de 1987. ³ L’emploi est exprimé comme une moyenne annuelle et a été calculé à partir des données du Programme de statistiques sur l’emploi du Bureau américain des statistiques du travail (BLS State Current Employment Statistics Programme). ⁴ Le total des cas inclut ceux où le travailleur est seulement capable d’exécuter un travail plus léger, en plus des jours de travail perdus intégralement avec ou sans activité réduite. ⁵ Les journées de travail perdues comprennent les jours où le travailleur n’effectue pas son travail, que ce travail soit réduit ou non.

Source: d’après une enquête nationale sur les accidents du travail et les maladies professionnelles dans l’industrie privée, réalisée par le ministère du Travail américain, Bureau des statistiques du travail (Department of Labor, Bureau of Labor Statistics).

Les caractéristiques démographiques des accidents du travail et des maladies professionnelles

Figure 84.22 Pourcentage de maladies et d'accidents avec arrêt de travail par
âge, Etats-Unis, code ISIC 32, 1994

Dans environ 85% des cas, il s’agissait d’hommes. Dans 24% des cas (hommes et femmes), les travailleurs avaient moins d’un an d’ancienneté. Ceux qui avaient entre 1 et 5 ans d’ancienneté représentaient 32% des cas, ceux ayant plus de 5 ans d’ancienneté 35%.

Figure 84.23 Nature des accidents du travail et des maladies professionnelles ayant
entraîné un arrêt de travail, Etats-Unis, codes ISIC 32, 1994

Figure 84.24 Causes ou cas d'accidents de travail et de maladies professionnelles
ayant entraîné un arrêt de travail, Etats-Unis, code ISIC 32, 1995

Figure 84.25 Partie du corps atteinte lors d'accidents du travail ou de maladies
professionnelles ayant entraîné un arrêt de travail, Etats-Unis, code ISIC 32, 1994

Figure 84.26 Sources d'accidents du travail et de maladies professionnelles ayant
entraîné un arrêt de travail, Etats-Unis, code ISIC 32, 1994

La prévention et la lutte contre la maladie

Les traumatismes cumulatifs liés à des mouvements répétés, au surmenage et à des efforts excessifs sont fréquents dans ce secteur d’activité. Dans certains cas, des robots ont pris le relais, mais la manutention manuelle demeure encore très courante. Le bruit est un problème important lui aussi: les compresseurs, souffleries, centrifugeuses, vibreurs pneumatiques et équipements de conditionnement peuvent avoir des niveaux sonores atteignant de 90 à 95 dBA. Des protecteurs antibruit et un programme de protection de l’ouïe préviendront toute perte irréversible d’audition.

Cette industrie utilise de grandes quantités de silice cristalline. Il faut limiter les expositions lors de la manipulation, de l’entretien et du nettoyage. Un bon entretien des locaux à l’aide d’un système d’aspiration ou de nettoyage à l’eau réduit les risques d’exposition. Les travailleurs doivent se soumettre périodiquement à des examens de dépistage (épreuve fonctionnelle respiratoire, radiographie des poumons) en cas d’exposition prolongée. Il faudrait aussi limiter le plus possible l’exposition aux métaux lourds présents dans les matières premières, les glaçures ou les pigments. L’utilisation de substituts des métaux lourds pour les glaçures éliminera également la contamination de la nourriture et des boissons et les maladies qu’elle entraîne. En résumé, un entretien soigneux des locaux et le port d’un équipement de protection respiratoire permettent d’éviter les effets nocifs. Une surveillance médicale, comprenant une surveillance biologique, peut se révéler nécessaire.

Il est courant, dans la fabrication de fibres de verre, d’utiliser des liants contenant du formaldéhyde, des résines époxydes et des silanes. Il faut donc prendre des mesures pour prévenir les irritations de la peau et des voies respiratoires. Le formaldéhyde est classé comme agent cancérogène dans de nombreux pays et, de ce fait, son utilisation est réglementée. Des fibres respirables sont libérées au cours des différentes étapes de la fabrication et de la mise en œuvre des produits en fibres de verre, de roche, de laitier et en fibres céramiques réfractaires. Bien que l’exposition aux fibres en suspension dans l’air ait généralement été assez faible (moins de 1 fibre par centimètre cube) pour la plupart des matériaux, les applications par projection/soufflage la rendent souvent beaucoup plus élevée.

La roche, le laitier et le verre font partie des matériaux d’isolation industrielle actuellement en usage qui ont été les plus étudiés. Des épidémiologistes ont montré que le tabagisme avait un impact sensible sur la mortalité par cancer du poumon chez les travailleurs de cette industrie. Des études transversales sérieuses n’ont pas conclu à un excès de morbidité ou de mortalité dû aux fibres dans les pathologies pulmonaires. Des études de toxicité chronique effectuées sur des rats inhalant des fibres ont montré que la durée de vie des fibres vitreuses était un facteur déterminant de leur nocivité. Cette durée de vie ou biopersistance dépend de leur composition qui peut être très variable. Afin d’éviter des problèmes de santé publique, un comité technique de la Commission européenne a proposé d’examiner la biopersistance des fibres vitreuses grâce à des tests d’inhalation de courte durée. Une laine isolante dont la composition a fait l’objet de tests approfondis à la dose maximale tolérée par les rats en inhalation chronique et qui ne provoque pas de maladie irréversible est alors proposée comme fibre de référence.

Les questions d’environnement et de santé publique

Les particules sont les principaux polluants atmosphériques émis lors de la fabrication du verre, des céramiques, de la poterie et des briques. La meilleure technologie possible de lutte contre ces particules consiste à utiliser des filtres à manches et des condenseurs électrostatiques humides pour réduire les émissions. Les polluants atmosphériques dangereux produits lors du mélangeage avec le liant, l’application d’enduit et les procédés de cuisson font l’objet d’études approfondies. Ces substances comprennent: le styrène, les silanes, les résines époxy utilisées dans la fabrication des filaments de verre continus ainsi que le formaldéhyde, le méthanol et le phénol employés pour la production de la laine de roche, de laitier et de verre. Le formaldéhyde est le polluant qui influe de façon déterminante sur les normes de l’industrie. Les polluants provenant des métaux lourds comme le chrome influent sur les normes applicables aux fours de fusion du verre, tandis que les oxydes d’azote (NO_x) et les oxydes de soufre (SO_x) continuent de poser des problèmes dans certains pays. Les émissions de fluorure et de bore sont préoccupantes dans la production de filaments de verre continus. Le bore pourrait aussi devenir un défi pour l’environnement si certains pays avaient besoin de fibres de laine de verre vitreuses hautement solubles.

Figure 84.27 Les aérosols des eaux recyclées non traitées peuvent causer des maladies
par contamination de l'eau

Remerciements: les auteurs tiennent à remercier Dan Dimas, CSP, Libbey-Owens-Ford, pour les photographies, et Michel Soubeyrand, Libbey-Owens-Ford, pour ses informations concernant le dépôt chimique en phase vapeur dans la partie traitant du verre.

Les fibres optiques

Les propriétés des matériaux réfractaires

Les gemmes synthétiques