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Les 50 ans du laboratoire de céramique de KELLER

Introduction

La base de la qualité d’un produit en terre cuite est la qualité des matières premières utilisées. Il est indispensable d'avoir des informations pertinentes et des plus précises quant aux matières premières utilisées afin de concevoir une installation de production de manière optimale. C’est pourquoi les matières premières / masses d’exploitation de nos clients sont soumises, dès la phase d'étude du projet, à de nombreux tests dans le laboratoire céramique interne de la société KELLER. Grâce à cette orientation pratique, l’installation à concevoir va être adaptée de manière optimale aux exigences des matières premières. Les données céramiques déterminées livrent également de précieuses conclusions essentielles pour l'optimisation d'installations existantes. Nous effectuons pour vous tous les examens décrits ici dans cette commande afin de vous transmettre de précieuses données pour l'exploitation et l'optimisation de votre installation.

Voici les avantages concrets pour vous :

  • qualités du produit optimisées
  • consommation en énergie minimisée
  • temps de passage plus courts
  • productivité accrue

Notre gamme de prestations

Prospection et prise d’échantillons pour de nouvelles carrières d'argile / prise d’échantillons dans des carrières existantes

Avant de construire une briqueterie/tuilerie sur un nouveau site, il est indispensable de rechercher une nouvelle carrière à exploiter et d’y prendre des échantillons d’argile représentatifs. Nous effectuons cet examen avec des géologues et, le cas échéant, avec une équipe de forage. Sur la base des faits géographiques et géologiques sur site, on peut élaborer des propositions pour l’extraction dans la carrière, son exhaure ainsi que pour le stockage optimal et le mélange des matières premières extraites. Les échantillons pris lors de forages ou prospections sont analysées pour développer une masse d’exploitation optimale et pour configurer l’installation prévue selon le comportement céramique et technologique de cette masse.

Développement / optimisation des masses d’exploitation

Il faut développer de nouvelles masses d’exploitation ou optimiser des masses d’exploitation existantes pour les raisons les plus diverses. Que ce soit pour développer de nouveaux produits avec des qualités spéciales, pour améliorer la qualité de produits existants, lorsque les carrières utilisées sont épuisées ou lorsque les masses existantes doivent coûter moins chères en gardant leurs qualités, vous pouvez dans tous les cas de figure profiter de notre expérience de longue date et de nos analyses correspondantes.

Analyse des masses existantes

Même lorsque la masse d’exploitation existe déjà, le laboratoire céramique de la soc. KELLER peut donner de précieux conseils pour optimiser les processus de fabrication ou la qualité des produits sur la base des analyses effectuées.  Les données céramiques et technologiques de la masse sont en tout cas déterminées pour le façonnage, le séchage et la cuisson. Sur la base de ces données, on peut optimiser le processus de fabrication.

Préparation

Pour la préparation, le laboratoire céramique de KELLER dispose de plusieurs groupes. L’objectif est de représenter la partie préparation existante ou future aussi précisément que possible, et ce, à l'échelle du laboratoire.

Les matières dures peuvent être prébroyées par un broyeur à mâchoires. La préparation fine peut être faite au choix comme préparation sèche avec un broyeur à marteaux équipé de différents tamis de sortie ou comme préparation semi-humide avec des broyeurs à cylindres dont on peut régler l'écartement des cylindres jusqu'à 0,5 mm.  Les échantillons sont mélangés et humidifiés dans un malaxeur qui garantit qu’il ne se produit aucun changement granulométrique dû à une trop grande énergie de mélange. La teneur en eau de gâchage des masses à extruder est réglée de telle sorte que la consistance de pressage (valeur du pénétromètre) prévue plus tard dans la production soit atteinte. On peut alors avoir des valeurs du pénétromètre entre 1,0 kg/cm² et 3,5 kg/cm².

Façonnage

En 2009, la mouleuse de laboratoire existante a été modifiée de telle sorte qu’il est désormais possible de déterminer le comportement de la masse lors de l’extrusion. On mesure et enregistre alors numériquement le couple nécessaire à l’extrusion, la vitesse de rotation de l’hélice, la vitesse du boudin et l’augmentation / diminution de la pression de la masse dans le cylindre de pressage et dans un cylindre de mesurage. Ces données sont la base de calculs de simulation permettant d’optimiser la géométrie de la mouleuse relative au pas de l’hélice, à la longueur de reflux et à la capacité d’augmentation de la pression. On peut également en déduire le couple à attendre, la pression de compression et la vitesse de rotation nécessaire de l’hélice.

Séchage / cuisson

Divers produits d'essai sont ensuite fabriqués au fur et à mesure du processus des analyses pour les tests de séchage et de cuisson. Les analyses reposent en majorité sur des tests pratiques. Des informations supplémentaires relatives aux qualités physiques et chimiques sont déterminées sur la base d’analyses chimiques, d’analyses d’éluat, de la répartition granulométrique et, le cas échéant, de la détermination du contenu minéral et complètent, si besoin est, les résultats des analyses céramiques.

Nous déterminons sur les produits d’essai la teneur en eau de gâchage nécessaire pour le façonnage, le retrait de séchage, la sensibilité aux fissures de séchage et la résistance à la flexion du produit sec avec l'humidité d'équilibre. Parallèlement, on enregistre le déroulement de la déshydratation et du retrait de séchage, la courbe de Bigot et la conductibilité de l’eau de chaque structure capillaire.

On cuit les produits d’essai dans des fours électriques avec un taux de chauffe de 180 K/h et un temps de maintien pour la cuisson finale de 3 heures.

La hauteur de la température de cuisson finale dépend du produit prévu et des spécificités des matières premières. Elle peut varier entre env. 840°C et max. 1300 °C. Comme il est important de connaître les marges possibles pour la mise en service et l’exploitation de l’installation à venir, les essais de cuisson sont effectués à 5 températures différentes. Les données rassemblées permettent de déterminer la qualité à attendre sur le site pour les tolérances dimensionnelles, les écarts de couleur, les valeurs d’absorption d’eau et les résistances à la pression et à la tension de flexion.

Les éventuels défauts de cuisson apparus sur les produits d'essai cuits comme les gonflements, les fontes, les écaillages ou les efflorescences sont déterminés et documentés si bien que l’on peut prendre les mesures en conséquence pour l’installation future, comme par ex. l’ajout de baryum. Grâce aux valeurs rassemblées à petite échelle mais avec des moyens techniques comparables, on peut tirer les conclusions nécessaires pour l'étude et l'exploitation future de l'installation.

Séchoir d’essai / four à gaz

On peut affiner les analyses réalisées à l’échelle de laboratoire en utilisant un séchoir d’essai avec des produits venant d’être extrudés issus de votre production. Concernant le séchoir d’essai, il s’agit d’un conteneur mobile de 20 pieds avec une chambre de séchage d’env. 1,5 x 1,8 x 1,7 m (l x h x p) pouvant être connectés avec tous les appareils de distribution d’air contenus dans les offres de KELLER. Ce séchoir peut être utilisé dans le laboratoire de Laggenbeck. Il peut éventuellement être transporté sur les sites de nos clients et implanté près de leur installation de façonnage. Les produits utilisés pour les essais ne sont donc pas uniquement issus de la masse d’exploitation utilisée chez le client mais présentent aussi les tensions et textures typiques de chaque processus de façonnage et sont séchés sur les porte-produits existants ou futurs. De plus, les produits venant d'être extrudés peuvent être directement utilisés à la sortie de la mouleuse pour chaque essai de séchage.

De cette manière, on peut déterminer de nouveau et encore plus précisément les temps possibles de séchage et la courbe de séchage exacte. Sur la base des défauts survenus lors des essais de séchage, on peut adapter la courbe de séchage, l’outil de façonnage ou le porte-produit.

Comme les produits séchés sont en général facilement transportables, les essais de cuisson sont exécutés dans un four à chambres stationnaire à gaz situé dans le laboratoire céramique de Laggenbeck. Pendant les essais de cuisson, il est possible de modifier l’atmosphère du four de telle sorte que l’on peut réaliser aussi bien des essais dans une atmosphère oxydante que des essais de réduction.

Les essais de cuisson dans le four à gaz sont également effectués avec des produits originaux. Par conséquent, on peut enregistrer précisément les défauts éventuellement survenus lors d’étapes de production précédentes comme des noyaux résiduaires, des fissures, des taches colorées, des déformations etc. et les éliminer si possible grâce à des modifications correspondantes du régime de cuisson.

Dans le cas de masses céramiques qui tendent à réabsorber de l’eau, il est important de sortir les produits à cuire du séchoir d’exploitation avant qu’ils soient complètement secs. Le séchage final se fait immédiatement avant la cuisson dans un séchoir de laboratoire électrique.

Mesurages de données relatives à la qualité et à l’environnement dans les installations

On mesure en coopération avec le département d’ingénierie des procédés de nombreuses valeurs relatives à la qualité et à l’environnement, et ce, pendant la mise en service et ultérieurement dans des installations déjà en service.

En font partie l’enregistrement des cotes et des poids pendant les différentes étapes de production mais aussi le mesurage du retrait, de la température, de l’humidité et de la vitesse de l’air ainsi que de la température des produits pendant le séchage.

Grâce à un wagon de mesurage spécialement équipé (en règle générale présent dans l’installation), on peut enregistrer pendant la cuisson les températures des produits lors de leur passage dans le four et ainsi l'homogénéisation de température sur la section transversale de la charge. On peut en déduire les mesures correspondantes d’optimisation de la courbe de cuisson.

Des mesurages simples des polluants comme le soufre, le fluor et le chlore dans les conduites d’air chaud et des fumées du four sont également possibles.

Quantités nécessaires d'échantillons

  • Pour l’analyse spécifique par KELLER d’un mélange d'exploitation venant d'être préparé, il faut une minimale d’env. 20 kg. Il faut la prendre avant la mouleuse. Le mieux est de la prélever directement avant le malaxeur à 2 arbres au niveau de la mouleuse.
  • Pour réaliser un mesurage de mouleuse, il faut une quantité d’échantillons d’env. 120 kg car on doit uniquement utiliser pour ce mesurage une masse venant d’être préparée mais avant l’évacuation de l’air.
  • Pour former une masse d’exploitation, entre 50 et 200 kg des différentes matières premières sont nécessaires selon l’ampleur des travaux. Cette ampleur et les informations requises sur les matières premières doivent au préalable être convenues avec le laboratoire céramique de KELLER.
  • Les essais de séchage avec le séchoir d’essai sont normalement réalisés sur site sur l'installation du client. Si cela n'est pas possible, les quantités d'échantillons nécessaires et le transport doivent être décidés en commun.
  • Pour les essais de cuisson dans le four à gaz, il faut, en fonction de la charge prévue, entre 50 et 100 produits séchés. Ceux-ci doivent absolument être prélevés du processus de séchage avant le séchage final avec une humidité résiduelle entre 5 et 10 % afin d’éviter une réhumidification pendant le transport et le stockage.

Prélèvement d’échantillons

Lors des prélèvements des échantillons d’argile, il est très important d’avoir un échantillon représentatif et de le conserver au mieux dans l’état de son prélèvement.

Echantillons provenant d’une nouvelle carrière à exploiter

Le prélèvement d’un échantillon représentatif provenant d’une carrière dont rien n’a encore été extrait est une des tâches les plus complexes du prélèvement. Il faut d’abord prélever des échantillons avec un appareil de forage adéquat, idéalement avec une carotteuse, et ce, sur un quadrillage défini pour la surface  de la future carrière. Ces échantillons doivent être prélevés à la profondeur correspondant au moins à la profondeur d’extraction future. Les carottes permettent d’établir un profil des couches de la carrière et un planning d’extraction. On peut aussi prélever des échantillons des couches contenues dans les carottes. On ne peut pas vraiment reconnaître les impuretés que constituent par ex. les couches rocheuses si bien qu’il faut, le cas échéant, faire une coupe supplémentaire avec un excavateur pour reconnaître ces couches.
Une documentation précise joue ici un rôle essentiel. Il faut exactement noter le pays, la région, la carrière etc, ainsi que la position précise du lieu de prélèvement (coordonnées GPS). Il faut aussi réaliser une documentation photographique du prélèvement.

Echantillons d’une carrière exploitée

Il existe plusieurs possibilités afin d’obtenir un échantillon représentatif d'une carrière exploitée.

  • Si on ne reconnaît optiquement aucune différence ou stratification et si l’épaisseur du mur d'extraction n’est pas trop grande, on peut prélever ce qu’on appelle un échantillon d'entaille ou de prospection sur toute la hauteur du mur d'extraction. Il faut alors prélever à plusieurs endroits de la carrière et la quantité d’échantillons peut éventuellement être réduite par un diviseur d’échantillons.
  • Si on reconnaît clairement des couches visibles dans la carrière, il est recommandé de prélever des échantillons d’entaille ou de prospection de chaque couche.

Ici aussi, il est essentiel de réaliser une documentation précise, comme décrit dans le point n°1. Il faut également documenter et photographier l'épaisseur des couches et autres particularités marquantes de la carrière comme les couches rocheuses par exemple. En cas de petites impuretés comme par ex. les inclusions calcaires, les particules de gypse ou similaire, il faut placer un objet aux dimensions connues comme un stylo, un briquet pour la photo afin d'avoir un ordre de grandeur.

Echantillons d’une halde ou d’un stock d’argile

Le prélèvement est plus simple dans ce cas car les échantillons sont en général déjà mélangés. On prend plusieurs petits échantillons de plusieurs points du stock pour le prélèvement et on les réunit pour obtenir un échantillon global.

Echantillons du doseur râpeur rond ou d’un malaxeur à 2 arbres

Il faut ici d’abord s’assurer que la sécurité du préleveur soit assurée tout au long du prélèvement. Les échantillons peuvent être directement prélevés à la sortie du doseur râpeur ou du malaxeur. Les échantillons doivent ici être mélangés de telle sorte qu’ils soient représentatifs.

Emballage et expédition

Les échantillons doivent être emballés dans des sacs en plastique hermétiques de telle sorte que leurs qualités spécifiques comme par ex. l’humidité de la carrière soient préservées. Il faut réaliser l’étiquetage de manière à ce qu'il ne soit pas détruit par l’humidité de l’argile ou des autocollants apposés ultérieurement (par le transporteur par ex.). Un échantillon sans désignation ne sert à rien. Il faut effectuer l’expédition au plus vite. En hiver, il faut notamment faire attention à ce que les échantillons ne soient pas modifiés par le gel. Il faut auparavant envoyer les papiers d’expédition (le connaissement aérien/airwaybill par ex.) par e-mail au laboratoire céramique (keramiklabor@keller-hcw.de) afin de pouvoir suivre le cheminement de l’échantillon.



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