Ce chapitre couvre les secteurs de produits suivants :

• en verre.
• fibres vitreuses synthétiques
• poterie
• tuile en céramique
• céramique industrielle
• brique et tuile
• réfractaires
• gemmes synthétiques
• fibres optiques.

 

Fait intéressant, non seulement la plupart de ces secteurs ont des racines dans l'Antiquité, mais ils partagent également un certain nombre de processus généraux communs. Par exemple, tous reposent fondamentalement sur l'utilisation de matières premières naturelles sous forme de poudre ou de particules fines qui sont transformées par la chaleur en produits souhaités. Par conséquent, malgré la gamme de processus et de produits englobés dans ce groupe, ces processus communs permettent une vue d'ensemble commune des risques potentiels pour la santé associés à ces industries. Étant donné que les divers secteurs manufacturiers sont composés à la fois de petits segments fragmentés (par exemple, la fabrication de briques) et de grandes usines de fabrication techniquement sophistiquées employant des milliers de travailleurs, chaque secteur est décrit séparément.

Processus et dangers courants

Il existe des risques communs pour la sécurité et la santé rencontrés dans la fabrication de produits dans ces secteurs d'activité. Les dangers et les mesures de contrôle sont abordés dans d'autres sections du Encyclopédie. Les dangers spécifiques au processus sont abordés dans les différentes sections de ce chapitre.

Traitements par lots des matières premières

La plupart des procédés de fabrication industrielle reçoivent des matières premières solides sèches en vrac ou en sachets individuels. Les matières premières solides en vrac sont déchargées des wagons-trémies ou des camions routiers dans des bacs, des trémies ou des mélangeurs par gravité, des lignes de transfert pneumatiques, des convoyeurs à vis, des convoyeurs à godets ou tout autre transfert mécanique. Les palettes de matières premières ensachées (20 à 50 kg) ou les grands conteneurs de sacs en tissu en vrac (0.5 à 1.0 tonne) sont déchargés des remorques de camion ou des wagons couverts par des chariots élévateurs industriels motorisés, des grues ou des palans. Les sacs individuels ou les matières premières sont retirés des palettes manuellement ou avec des aides de levage motorisées. Les matières premières ensachées sont généralement chargées dans une station de vidange de sacs ou directement dans des trémies de stockage ou des trémies de pesée.

Les risques potentiels pour la sécurité et la santé associés aux processus de déchargement, de manipulation et de transfert des matières premières solides comprennent :

• expositions au bruit dans la plage de 85 à 100 dBA. Les vibrateurs pneumatiques, les compresseurs, les actionneurs de vannes, les moteurs d'entraînement de mélange, les soufflantes et les dépoussiéreurs sont quelques-unes des principales sources de bruit.

• expositions aux particules respirables en suspension dans l'air du transfert et du mélange de matières premières solides granulaires. Les expositions dépendent de la composition des matières premières mais peuvent généralement inclure de la silice (SiO₂), argile, alumine, calcaire, poussières alcalines, oxydes métalliques, métaux lourds et particules nuisibles.

• risques ergonomiques associés au levage manuel ou à la manutention de sacs de matières premières, de vibrateurs ou de lignes de transfert et aux activités de maintenance du système

• dangers physiques de manœuvrer des wagons ou des camions, la circulation de camions industriels motorisés, le travail à des hauteurs élevées, les entrées dans des espaces confinés et le contact avec des sources d'énergie électriques, pneumatiques ou mécaniques, par exemple, des points de pincement, des pièces rotatives, des engrenages d'entraînement, des arbres, des courroies et des poulies.

 

Procédés de cuisson ou de fusion

La fabrication des produits de ces secteurs d'activité implique des procédés de séchage, de fusion ou de cuisson dans des fours ou des fours. La chaleur nécessaire à ces processus est générée par la combustion de propane, de gaz naturel (méthane) ou de mazout, la fusion à l'arc électrique, les micro-ondes, le séchage diélectrique et/ou le chauffage par résistance électrique. Les dangers potentiels présentés par les processus de cuisson ou de fusion comprennent :

• expositions aux produits de combustion comme le monoxyde de carbone, les oxydes d'azote (NO_x) et dioxyde de soufre

• fumées et particules à partir de matières premières en suspension dans l'air (par exemple, silice, métaux, poussières alcalines) ou de sous-produits (par exemple, fluorure d'hydrogène, cristobalite, vapeurs de métaux lourds)

• incendie ou explosion associés aux systèmes de carburant utilisés pour la chaleur industrielle ou le carburant pour les chariots élévateurs ; les risques potentiels d'incendie ou d'explosion associés aux réservoirs de stockage de carburant inflammable, aux systèmes de distribution de tuyauterie et aux vaporisateurs. Les systèmes de carburant de secours ou de secours rarement utilisés pour les réductions de gaz naturel peuvent présenter des problèmes d'incendie ou d'explosion similaires.

• exposition au rayonnement infrarouge à partir de matériaux en fusion, ce qui peut augmenter le risque de cataractes de chaleur ou de brûlures cutanées

• énergie rayonnante et stress thermique. L'environnement de travail autour des fours ou des fours peut être extrêmement chaud. Des problèmes de stress thermique importants peuvent survenir lorsque des travaux de réparation d'urgence ou d'entretien de routine sont effectués à proximité ou au-dessus des processus de cuisson ou de fusion. Des brûlures thermiques graves peuvent résulter d'un contact direct de la peau avec des surfaces chaudes ou des matériaux en fusion (voir figure 1).

 

Figure 1. Technicien contrôle qualité

• risques liés à l'énergie électrique. Le contact direct avec l'énergie électrique haute tension utilisée pour le chauffage par résistance pour compléter les processus à combustible présente un risque d'électrocution et des problèmes de santé possibles liés à l'exposition aux champs électromagnétiques (EMF). Des champs magnétiques et électriques puissants peuvent potentiellement interférer avec les stimulateurs cardiaques et autres dispositifs médicaux implantés.

• expositions au bruit au-dessus de 85 à 90 dBA provenant des soufflantes de combustion, des trémies ou mélangeurs discontinus, des processus d'alimentation et des convoyeurs.

 

manutention dans la production, la fabrication, l'emballage et l'entreposage

Les processus de manutention, de fabrication et d'emballage sont très différents dans ce secteur d'activité, tout comme la taille, la forme et le poids des produits. La forte densité de matériaux dans ce secteur ou les configurations volumineuses présentent des risques communs de manutention. Le levage manuel et la manutention de matériaux dans la production, la fabrication, l'emballage et l'entreposage dans cette industrie sont responsables de nombreuses blessures invalidantes. (Voir la section « Profil des blessures et des maladies » ci-dessous.) Les efforts de réduction des blessures se concentrent sur la réduction du levage manuel et de la manutention des matériaux. Par exemple, des conceptions d'emballage innovantes, la robotique pour empiler et palettiser les produits finis et les véhicules de transport guidés automatiques pour l'entreposage commencent à être utilisés dans certaines parties de ce secteur d'activité pour éliminer la manipulation manuelle des matériaux et les blessures associées. L'utilisation de convoyeurs, d'aides au levage avec personnel (p. ex. palans à vide) et de plates-formes à ciseaux pour la manutention et la palettisation des produits est actuellement une pratique courante de manutention (voir figure 2).

Figure 2. Assistance de levage par le vide utilisée

L'utilisation de la robotique pour éliminer la manutention manuelle des matériaux joue un rôle majeur dans la prévention des blessures ergonomiques. La robotique a réduit les contraintes ergonomiques et les lacérations graves qui ont été historiquement associées à la manipulation de matériaux (par exemple, le verre plat) dans la main-d'œuvre de production (voir figure 3). Cependant, l'utilisation accrue de la robotique et de l'automatisation des processus introduit des risques liés aux machines mobiles et à l'énergie électrique, ce qui transforme les types de risques et transfère également les risques à d'autres travailleurs (de la production aux travailleurs de maintenance). Une conception appropriée des commandes électroniques et du séquençage logique, des protections de machine, des pratiques de verrouillage de l'énergie totale et l'établissement de procédures d'exploitation et de maintenance sûres sont des moyens fondamentaux de contrôler les blessures des travailleurs de la maintenance et de la production.

Figure 3. Robotique utilisée dans le verre plat

Reconstructions et activités de reconstruction

De nombreux risques potentiels pour la santé et la sécurité sont rencontrés lors de reconstructions majeures périodiques ou de réparations à froid de fours ou de fours. Un large éventail de dangers associés aux activités de construction peuvent être rencontrés. Les exemples incluent : les risques ergonomiques liés à la manipulation des matériaux (par exemple, les briques réfractaires) ; expositions en suspension dans l'air à la silice, à l'amiante, aux fibres céramiques réfractaires ou aux particules contenant des métaux lourds, lors de la démolition ou des sous-produits de la coupe et du soudage ; stress thermique; travailler en hauteur; risques de glissade, de trébuchement ou de chute ; dangers en espace confiné (voir figure 4); et le contact avec des sources d'énergie dangereuses.

Figure 4. Entrée en espace confiné

Verre

Profil général

Le verre s'est formé naturellement à partir d'éléments communs de la croûte terrestre bien avant que quiconque ait jamais pensé à expérimenter sa composition, à modeler sa forme ou à l'utiliser pour la myriade d'utilisations dont il jouit aujourd'hui. L'obsidienne, par exemple, est une combinaison naturelle d'oxydes fusionnés par une chaleur volcanique intense et vitrifiés (transformés en verre) par un refroidissement rapide à l'air. Sa couleur noire opaque provient des quantités relativement élevées d'oxyde de fer qu'il contient. Sa durabilité chimique et sa dureté se comparent favorablement à de nombreux verres commerciaux.

La technologie du verre a évolué pendant 6,000 XNUMX ans et certains principes modernes remontent à l'Antiquité. L'origine des premiers verres synthétiques se perd dans l'antiquité et la légende. Faïence a été fabriqué par les Égyptiens, qui ont moulé des figurines à partir de sable (SiO₂), l'oxyde de formation de verre le plus populaire. Il était recouvert de natron, le résidu laissé par la crue du Nil, composé principalement de carbonate de calcium (CaCO₃), carbonate de soude (Na₂CO₃), sel (NaCl) et oxyde de cuivre (CuO). Un chauffage en dessous de 1,000 XNUMX °C a produit un revêtement vitreux par la diffusion des fondants, CaO et Na₂O dans le sable et leur réaction ultérieure à l'état solide avec le sable. L'oxyde de cuivre a donné à l'article une couleur bleue attrayante.

Selon la définition donnée par Morey : « Le verre est une substance inorganique dans un état qui est continu et analogue à l'état liquide de cette substance, mais qui, à la suite d'un changement réversible de viscosité au cours du refroidissement, a atteint un degré de viscosité si élevé qu'il est, à toutes fins pratiques, rigide. L'ASTM définit le verre comme "un produit de fusion inorganique qui s'est refroidi jusqu'à un état rigide sans cristalliser". Les matériaux organiques et inorganiques peuvent former des verres si leur structure est non cristalline, c'est-à-dire s'ils manquent d'ordre à longue distance.

L'un des développements les plus importants dans la technologie du verre a été l'utilisation d'un chalumeau (voir figure 5), qui a été utilisé pour la première fois environ 100 ans avant JC. Dès lors, la technique de fabrication du verre connaît un développement rapide.

Figure 5. Le chalumeau

Le premier verre était coloré en raison de la présence de diverses impuretés telles que des oxydes de fer et de chrome. Le verre pratiquement incolore a été fabriqué pour la première fois il y a environ 1,500 XNUMX ans.

A cette époque, la fabrication du verre se développait à Rome, et de là, elle s'est déplacée vers de nombreux autres pays d'Europe. De nombreuses verreries ont été construites à Venise et un développement important s'y est produit. Au XIIIe siècle, de nombreuses usines de verre ont été déplacées de Venise vers une île voisine, Murano. Murano est toujours un centre de production de verre artisanal en Italie.

Au XVIe siècle, le verre était fabriqué dans toute l'Europe. Aujourd'hui, le verre de Bohême de la République tchèque est bien connu pour sa beauté et les usines de verre au Royaume-Uni et en Irlande produisent de la vaisselle en cristal au plomb de haute qualité. La Suède est un autre pays qui abrite la production artistique de cristallerie de verre.

En Amérique du Nord, le premier établissement manufacturier de quelque sorte que ce soit était une verrerie. Les colons anglais ont commencé à produire du verre au début du XVIIe siècle à Jamestown, en Virginie.

Aujourd'hui, le verre est fabriqué dans la plupart des pays du monde. De nombreux produits en verre sont fabriqués dans des lignes de traitement entièrement automatiques. Bien que le verre soit l'un des matériaux les plus anciens, ses propriétés sont uniques et encore mal comprises.

L'industrie du verre est aujourd'hui composée de plusieurs segments de marché majeurs, dont le marché du verre plat, le marché des articles ménagers grand public, le marché des récipients en verre, l'industrie du verre optique et le segment de marché de la verrerie scientifique. Les marchés du verre optique et scientifique ont tendance à être très ordonnés et sont dominés par un ou deux fournisseurs dans la plupart des pays. Ces marchés sont également beaucoup moins volumineux que les marchés de consommation. Chacun de ces marchés s'est développé au fil des ans grâce à des innovations dans une technologie de verre spécifique ou à des avancées de fabrication. L'industrie des conteneurs, par exemple, a été stimulée par le développement de machines de fabrication de bouteilles à grande vitesse développées au début des années 1900. L'industrie du verre plat a été considérablement avancée par le développement du procédé du verre flotté au début des années 1960. Ces deux segments représentent aujourd'hui des entreprises de plusieurs milliards de dollars dans le monde entier.

Les articles ménagers en verre se répartissent en quatre catégories générales :

1. vaisselle (y compris vaisselle, tasses et mugs)
2. Boisson
3. ustensiles de cuisson (ou plats à four)
4. ustensiles de cuisine haut de gamme.

 

Bien qu'il soit difficile d'obtenir des estimations mondiales, le marché des articles ménagers en verre est sans aucun doute de l'ordre de 1 milliard de dollars américains rien qu'aux États-Unis. Selon la catégorie spécifique, une variété d'autres matériaux se font concurrence pour des parts de marché, notamment la céramique, les métaux et les plastiques.

Les procédés de fabrication

Le verre est un produit de fusion inorganique qui s'est refroidi jusqu'à un état rigide sans cristalliser. Le verre est généralement dur et cassant et présente une fracture conchoïdale. Le verre peut être fabriqué pour être coloré, translucide ou opaque en faisant varier les matières amorphes ou cristallines dissoutes qui sont présentes.

Lorsque le verre est refroidi à partir de l'état fondu chaud, sa viscosité augmente progressivement sans cristallisation sur une large plage de températures, jusqu'à ce qu'il prenne sa forme dure et cassante caractéristique. Le refroidissement est contrôlé pour éviter la cristallisation ou une contrainte élevée.

Alors que tout composé qui possède ces propriétés physiques est théoriquement un verre, la plupart des verres commerciaux se répartissent en trois types principaux et ont une large gamme de compositions chimiques.

1. Verres de silice sodocalcique sont les verres les plus importants en termes de quantité produite et de variété d'utilisation, y compris la quasi-totalité du verre plat, des récipients, de la verrerie domestique produite en série à faible coût et des ampoules électriques.
2. Verres plomb-potasse-silice contiennent une proportion variable mais souvent élevée d'oxyde de plomb. La fabrication de verre optique utilise l'indice de réfraction élevé de ce type de verre ; la verrerie domestique et décorative soufflée à la bouche profite de sa facilité de coupe et de polissage; applications électriques et électroniques tire parti de sa résistivité électrique élevée et de sa radioprotection.
3. Verres borosilicatés ont une faible dilatation thermique et résistent aux chocs thermiques, ce qui les rend idéales pour la verrerie de four domestique et de laboratoire et pour la fibre de verre pour les renforts en plastique.

Un lot de verre commercial est constitué d'un mélange de plusieurs ingrédients. Cependant, la plus grande partie du lot est composée de 4 à 6 ingrédients, choisis parmi des matériaux tels que le sable, le calcaire, la dolomie, le carbonate de sodium, le borax, l'acide borique, les matériaux feldspathiques, les composés de plomb et de baryum. Le reste du lot est constitué de plusieurs ingrédients supplémentaires, choisis parmi un groupe d'environ 15 à 20 matières communément appelées ingrédients mineurs. Ces derniers ajouts sont ajoutés en vue de fournir une fonction ou une qualité spécifique, telle que la couleur, qui doit être réalisée au cours du processus de préparation du verre.

La figure 6 illustre les principes de base de la fabrication du verre. Les matières premières sont pesées, mélangées et, après addition de verre brisé (calcin), amenées au four pour être fondues. De petits pots d'une capacité allant jusqu'à 2 tonnes sont encore utilisés pour la fusion du verre pour la cristallerie soufflée à la bouche et les verres spéciaux nécessaires en petite quantité. Plusieurs pots sont chauffés ensemble dans une chambre de combustion.

Figure 6. Processus et matériaux impliqués

Dans la plupart des fabrications modernes, la fusion a lieu dans de grands fours régénératifs, récupérateurs ou électriques construits en matériau réfractaire et chauffés au mazout, au gaz naturel ou à l'électricité. La suralimentation électrique et la fusion électrique à froid ont été commercialisées et largement utilisées dans le monde à la fin des années 1960 et dans les années 1970. La force motrice de la fusion électrique à froid était le contrôle des émissions, tandis que la suralimentation électrique était généralement utilisée pour améliorer la qualité du verre et augmenter le débit.

Les facteurs économiques les plus importants concernant l'utilisation de l'électricité pour la fusion des fours verriers sont liés aux coûts des combustibles fossiles, à la disponibilité de divers combustibles, aux coûts de l'électricité, aux coûts d'investissement pour l'équipement, etc. Cependant, dans de nombreux cas, la principale raison de l'utilisation de la fusion ou de l'amplification électrique est le contrôle de l'environnement. Divers endroits dans le monde ont déjà ou devraient bientôt avoir des réglementations environnementales qui restreignent strictement le rejet de divers oxydes ou de particules en général. Ainsi, dans de nombreux endroits, les fabricants sont confrontés à la possibilité de devoir soit réduire les débits de fusion du verre, soit installer des filtres à manches ou des précipitateurs afin de traiter les gaz de combustion résiduaires, soit modifier le processus de fusion et inclure la fusion électrique ou la suralimentation. Les alternatives à une telle modification peuvent dans certains cas être des fermetures d'usines.

La partie la plus chaude du four (superstructure) peut se situer entre 1,600 2,800 et 1,000 1,200°C. Le refroidissement contrôlé réduit la température du verre de XNUMX XNUMX à XNUMX XNUMX °C à la sortie du verre du four. De plus, tous les types de verre sont soumis à un refroidissement contrôlé supplémentaire (recuit) dans un four spécial ou une étenderie. Le traitement ultérieur dépendra du type de processus de fabrication.

Le soufflage automatique est utilisé sur des machines pour la production de bouteilles et d'ampoules en plus du verre traditionnel soufflé à la bouche. Les formes simples, telles que les isolateurs, les briques de verre, les ébauches de lentilles, etc., sont pressées plutôt que soufflées. Certains procédés de fabrication utilisent une combinaison de soufflage mécanique et de pressage. Le verre armé et façonné est roulé. La feuille de verre est tirée du four par un processus vertical qui lui donne une surface finie au feu. En raison des effets combinés du dessin et de la gravité, une légère distorsion est inévitable.

Le verre plat passe à travers des rouleaux refroidis à l'eau sur une arche de recuit. Il est exempt de distorsion. Les dommages de surface peuvent être éliminés par meulage et polissage après fabrication. Ce procédé a été largement remplacé par le procédé du verre flotté, qui a été introduit ces dernières années (voir figure 7). Le procédé float a permis la fabrication d'un verre qui combine les avantages de la feuille et de la plaque. Le verre flotté a une surface finie au feu et ne se déforme pas.

Figure 7. Processus de flottement continu

Dans le processus de flottement, un ruban continu de verre sort d'un four de fusion et flotte à la surface d'un bain d'étain fondu. Le verre épouse parfaitement la surface de l'étain fondu. Lors de son passage sur l'étain, la température est réduite jusqu'à ce que le verre soit suffisamment dur pour être acheminé sur les rouleaux de l'arche de recuit sans marquer sa surface inférieure. Une atmosphère inerte dans le bain empêche l'oxydation de l'étain. Le verre, après recuit, ne nécessite aucun autre traitement et peut être transformé par découpe et emballage automatiques (voir figure 8).

Figure 8. Ruban de verre flotté sortant de l'arche

La tendance de la nouvelle architecture résidentielle et commerciale vers l'inclusion d'une plus grande surface vitrée et la nécessité de réduire la consommation d'énergie ont mis davantage l'accent sur l'amélioration de l'efficacité énergétique des fenêtres. Des couches minces déposées à la surface du verre offrent des propriétés de faible émissivité ou de contrôle solaire. La commercialisation de tels produits revêtus de produits de base nécessite une technologie de dépôt à faible coût et sur une grande surface. En conséquence, un nombre croissant de lignes de fabrication de verre flotté sont équipées de procédés de revêtement en ligne sophistiqués.

Dans les procédés de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) couramment utilisés, un mélange gazeux complexe est mis en contact avec le substrat chaud, où il réagit par pyrolyse pour former un revêtement à la surface du verre. En général, l'équipement de revêtement est constitué de structures thermiquement contrôlées qui sont suspendues sur la largeur du ruban de verre. Ils peuvent être situés dans le bain d'étain, l'espace de l'arche ou l'arche. La fonction des enducteurs est de délivrer uniformément les gaz précurseurs sur la largeur du ruban d'une manière à température contrôlée et d'extraire en toute sécurité les sous-produits des gaz d'échappement de la région de dépôt. Pour plusieurs couches de revêtement, plusieurs couches sont utilisées en série le long du ruban de verre.

Pour le traitement des sous-produits des gaz d'échappement générés par ces procédés à grande échelle, des techniques de lavage par voie humide avec un filtre-presse classique sont normalement suffisantes. Lorsque les gaz effluents ne réagissent pas facilement ou ne sont pas mouillés par des solutions aqueuses, l'incinération est la principale option.

Certains verres optiques sont renforcés chimiquement par des procédés qui impliquent d'immerger le verre pendant plusieurs heures dans des bains à haute température contenant des sels fondus de, typiquement, du nitrate de lithium et du nitrate de potassium.

Verre de sécurité est de deux types principaux :

1. Verre trempé est fabriqué par précontrainte par chauffage puis refroidissement rapide de pièces de verre plat de forme et de taille souhaitées dans des fours spéciaux.
2. Verre feuilleté est formé en collant une feuille de plastique (généralement du butyral de polyvinyle) entre deux fines feuilles de verre plat.

 

Fibres vitreuses synthétiques

Profil général

Les fibres vitreuses synthétiques sont produites à partir d'une grande variété de matériaux. Ce sont des silicates amorphes fabriqués à partir de verre, de roche, de laitier ou d'autres minéraux. Les fibres produites sont à la fois des fibres continues et discontinues. En général, les fibres continues sont des fibres de verre étirées à travers des buses et utilisées pour renforcer d'autres matériaux, tels que les plastiques, afin de produire des matériaux composites aux propriétés uniques. Les fibres discontinues (généralement appelées laines) sont utilisées à de nombreuses fins, le plus souvent pour l'isolation thermique et acoustique. Les fibres vitreuses synthétiques, aux fins de cette discussion, ont été divisées en fibres de verre continues, les laines isolantes étant constituées de fibres de verre, de roche ou de laitier, et les fibres céramiques réfractaires, qui sont généralement des silicates d'aluminium.

La possibilité d'étirer le verre ramolli à la chaleur en fibres fines était connue des verriers dans l'Antiquité et est en fait plus ancienne que la technique du soufflage du verre. De nombreux premiers récipients égyptiens ont été fabriqués en enroulant des fibres de verre grossières sur un mandrin d'argile de forme appropriée, puis en chauffant l'ensemble jusqu'à ce que les fibres de verre s'écoulent les unes dans les autres et, après refroidissement, en retirant le noyau d'argile. Même après l'avènement du soufflage du verre au 1er siècle après JC, la technique de la fibre de verre était encore utilisée. Les verriers vénitiens des XVIe et XVIIe siècles l'utilisaient pour décorer la verrerie. Dans ce cas, des faisceaux de fibres blanches opaques ont été enroulés sur la surface d'un récipient en verre soufflé transparent uni (par exemple, un gobelet) puis fusionnés en celui-ci par chauffage.

Malgré la longue histoire des utilisations généralement décoratives ou artistiques des fibres de verre, l'utilisation généralisée n'a refait surface qu'au XXe siècle. La production commerciale initiale de fibres de verre aux États-Unis a eu lieu dans les années 20, tandis qu'en Europe, l'utilisation initiale a eu lieu quelques années plus tôt. Les laines de roche et de laitier ont été produites plusieurs années plus tôt que cela.

La fabrication et l'utilisation de fibres vitreuses synthétiques est une industrie mondiale de plusieurs milliards de dollars puisque ces matériaux utiles sont devenus une composante importante de la société moderne. Leurs utilisations en tant qu'isolants ont entraîné une réduction considérable des besoins énergétiques pour le chauffage et le refroidissement des bâtiments, et ces économies d'énergie ont entraîné une réduction significative de la pollution mondiale associée à la production d'énergie. Le nombre d'applications de filaments de verre continus comme renforts pour une pléthore de produits, des articles de sport aux puces informatiques en passant par les applications aérospatiales, a été estimé à plus de 30,000 1970. Le développement et la commercialisation généralisée des fibres céramiques réfractaires ont eu lieu dans les années XNUMX, et ces fibres continuent de jouer un rôle important dans la protection des travailleurs et des équipements dans une variété de processus de fabrication à haute température.

Les procédés de fabrication

Filaments de verre continus

Les filaments de verre sont formés en étirant le verre fondu à travers des douilles en métal précieux en filaments fins de diamètre presque uniforme. En raison des exigences physiques des fibres lorsqu'elles sont utilisées comme renforts, leurs diamètres sont relativement grands par rapport à ceux des laines isolantes. Presque tous les filaments de verre continus ont des diamètres de 5 à 15 μm ou plus. Ces grands diamètres, associés à la gamme étroite de diamètres produits lors de la fabrication, éliminent tout effet respiratoire chronique potentiel, car les fibres sont trop grosses pour être inhalées dans les voies respiratoires inférieures.

Les fibres de verre continues sont fabriquées par l'atténuation rapide de gouttes de verre fondu exsudant à travers des buses sous l'effet de la gravité et suspendues à celles-ci. L'équilibre dynamique entre les forces de tension superficielle et d'atténuation mécanique fait que la goutte de verre prend la forme d'un ménisque maintenu à l'ouverture annulaire de la buse et se rétrécissant au diamètre de la fibre étirée. Pour que l'étirage des fibres réussisse, le verre doit se situer dans une gamme étroite de viscosités (c'est-à-dire entre 500 et 1,000 XNUMX poises). A des viscosités plus faibles, le verre est trop fluide et tombe des buses sous forme de gouttes; dans ce cas, la tension superficielle domine. A des viscosités plus élevées, la tension dans la fibre pendant l'atténuation est trop élevée. Le débit d'écoulement du verre à travers la buse peut également devenir trop faible pour maintenir un ménisque.

La fonction de la filière est de fournir une plaque contenant plusieurs centaines de buses à une température uniforme et de conditionner le verre à cette température uniforme afin que les fibres étirées soient de diamètre uniforme. la figure 9 montre un diagramme schématique des principales caractéristiques d'une filière à fusion directe fixée à un avant-corps à partir duquel elle prend une alimentation en verre fondu très proche de la température à laquelle le verre passera à travers les buses; dans ce cas, la fonction de base de la douille est donc aussi sa seule fonction.

Figure 9. Schéma de la traversée à fusion directe

Dans le cas d'une filière fonctionnant à partir de billes, une deuxième fonction est requise, à savoir faire d'abord fondre les billes avant de conditionner le verre à la bonne température de fibrage. Une douille en marbre typique est illustrée à la figure 10. La ligne brisée à l'intérieur de la douille est une plaque perforée qui retient les billes non fondues.

Figure 10. Schéma d'une douille en marbre

La conception des traversées est largement empirique. Pour des raisons de résistance à l'attaque du verre en fusion et de stabilité aux températures nécessaires au fibrage, les filières sont réalisées en alliages de platine ; à la fois 10% de rhodium-platine et 20% de rhodium-platine sont utilisés, ce dernier étant plus résistant à la distorsion à des températures élevées.

Avant que les fibres individuelles tirées d'une filière ne soient rassemblées et consolidées en un toron, ou une multiplicité de torons, elles sont revêtues d'un encollage de fibre. Ces tailles de fibres sont essentiellement de deux types :

1. encollages amidon-huile généralement appliqués aux fibres destinées au tissage de tissus fins ou à des opérations similaires
2. agent d'accrochage plus apprêts filmogènes appliqués sur des fibres destinées au renforcement direct des matières plastiques et du caoutchouc.

 

Une fois la fibre formée, un revêtement protecteur d'ensimage organique est appliqué au niveau d'un applicateur et les filaments continus sont rassemblés en un brin multifilament (voir figure 11) avant d'être enroulés sur un tube d'enroulement. Les applicateurs fonctionnent en permettant à l'éventail de fibres, lorsqu'elles mesurent environ 25 à 45 mm de large et en route vers le sabot de ramassage sous l'applicateur, de passer sur une surface mobile recouverte d'un film d'encollage de fibre.

Figure 11. Filaments de verre textile

Il existe essentiellement deux types d'applications :

1. applicateurs à rouleau, en caoutchouc, en céramique ou en graphite, dans lesquels la fibre défile sur la surface du rouleau revêtu d'un film d'encollage de fibre
2. applicateurs à bande, dans lesquels à une extrémité la bande passe sur un rouleau entraîné qui plonge la bande dans l'encollage des fibres et à l'autre extrémité passe sur une barre fixe en acier chromé dur à laquelle les fibres touchent la bande pour prélever l'encollage.

 

Le revêtement protecteur et le processus de ramassage des fibres peuvent varier selon les types de fibres textiles ou de renfort produites. L'objectif de base est d'enduire les fibres d'ensimage, de les rassembler en un toron et de les positionner sur un tube amovible sur la pince avec la tension minimale nécessaire.

La figure 12 montre le processus de fabrication du verre en continu.

Figure 12. Fabrication de verre à filaments continus

Fabrication de laine d'isolation

Contrairement aux filaments continus, les fibres des laines isolantes et des fibres céramiques réfractaires sont fabriquées dans des processus à très haute énergie dans lesquels le matériau fondu est déposé soit dans des disques rotatifs, soit dans une série de roues rotatives. Ces méthodes aboutissent à la production de fibres avec une gamme de diamètres beaucoup plus large que celle observée avec les filaments continus. Ainsi, toutes les laines isolantes et les fibres céramiques contiennent une fraction des fibres de diamètres inférieurs à 3.0 µm ; ceux-ci pourraient devenir respirables s'ils étaient fracturés en longueurs relativement courtes (moins de 200 à 250 μm). De nombreuses données sont disponibles sur les expositions aux fibres vitreuses synthétiques respirables sur le lieu de travail.

Plusieurs procédés sont utilisés pour fabriquer laine de verre, y compris le procédé de soufflage à la vapeur et le procédé de soufflage à la flamme ; mais le plus populaire est le procédé de formage rotatif développé au milieu des années 1950. Les procédés rotatifs ont largement remplacé les procédés de soufflage direct pour la production commerciale de produits d'isolation en fibre de verre. Ces procédés rotatifs utilisent tous un tambour creux, ou fileur, monté avec son axe vertical. La paroi verticale de la centrifugeuse est percée de plusieurs milliers de trous uniformément répartis sur la circonférence. Le verre fondu est autorisé à tomber à une vitesse contrôlée au centre de la centrifugeuse, d'où un distributeur approprié le force à l'intérieur de la paroi perforée verticale. A partir de cette position, la force centrifuge entraîne le verre radialement vers l'extérieur sous la forme de filaments de verre discrets sortant de chaque perforation. Une atténuation supplémentaire de ces filaments primaires est obtenue par un fluide de soufflage approprié sortant d'une buse ou de buses agencées autour et concentriques avec la centrifugeuse. Le résultat net est la production de fibres d'un diamètre moyen de fibre de 6 à 7 mm. Le fluide de soufflage agit vers le bas et ainsi, en plus d'assurer l'atténuation finale, il dévie également les fibres vers une surface collectrice située sous la centrifugeuse. Sur le chemin de cette surface collectrice, les fibres sont pulvérisées avec un liant approprié avant d'être uniformément réparties sur la surface collectrice (voir figure 13).

Figure 13. Le procédé rotatif de fabrication de la laine de verre

Dans un procédé rotatif, les fibres de laine de verre sont fabriquées en laissant passer du verre fondu à travers une série de petites ouvertures situées dans une centrifugeuse rotative, puis en atténuant le filament primaire par soufflage d'air ou de vapeur.

Laine minérale, cependant, ne peut pas être produit sur le processus de filage rotatif et a toujours été produit en cours avec une série de mandrins de filage horizontaux. Le procédé laine minérale consiste en un ensemble de rotors (mandrins) montés en cascade et tournant très rapidement (voir figure 14). Un flux de pierre en fusion est transféré en continu vers l'un des rotors supérieurs et à partir de ce rotor réparti sur le second et ainsi de suite. La masse fondue est uniformément répartie sur la surface extérieure de tous les rotors. Des rotors, des gouttelettes sont expulsées par la force centrifuge. Les gouttelettes sont attachées à la surface du rotor par des cols allongés qui, sous un allongement supplémentaire et un refroidissement simultané, se développent en fibres. L'allongement est, bien entendu, suivi d'une diminution de diamètre qui, à son tour, provoque un refroidissement accéléré. Ainsi, il existe une limite inférieure pour le diamètre parmi les fibres produites dans ce procédé. Une distribution normale des diamètres de fibres autour de la valeur moyenne n'est donc pas attendue.

Figure 14. Procédé laine minérale (roche & laitier)

Fibres céramiques réfractaires

Les fibres céramiques sont principalement produites par soufflage et filature avec des procédés similaires à ceux décrits pour les laines isolantes. Dans le processus de soufflage à la vapeur, les matières premières telles que l'alumine et la silice sont fondues dans un four électrique, et le matériau fondu est soutiré et soufflé avec de la vapeur sous pression ou un autre gaz chaud. Les fibres produites sont ensuite collectées sur un tamis.

Semblables au procédé de filature des fibres de roche et de laitier, ceux des fibres céramiques produisent une forte proportion de fibres longues et soyeuses. Dans cette méthode, un flux de matériau fondu est déposé sur des disques en rotation rapide et projeté tangentiellement pour former des fibres.

Industrie de la poterie

Profil général

La fabrication de la poterie est l'un des plus anciens artisanats humains. Au fil des siècles, différents styles et techniques se sont développés dans différentes parties du monde. Au XVIIIe siècle, une industrie florissante dans de nombreuses régions d'Europe était fortement influencée par l'importation de vaisselle fine et très décorée d'Extrême-Orient. Le Japon avait appris l'art de la céramique de la Chine environ 18 ans plus tôt. Avec la révolution industrielle et le changement général des conditions en Europe occidentale, la production a augmenté rapidement. À l'heure actuelle, presque tous les pays fabriquent des articles à usage domestique, et la poterie est une exportation importante de certains pays. La production est maintenant à l'échelle de l'usine dans de nombreuses régions du monde. Si les principes de base de la fabrication n'ont pas changé, il y a eu des progrès considérables dans la manière dont la fabrication est effectuée. C'est notamment le cas dans la formation ou le façonnage de la vaisselle, dans sa cuisson et dans les techniques de décoration utilisées. L'utilisation croissante de microprocesseurs et de robots entraîne l'introduction de niveaux élevés d'automatisation dans les zones de production. Cependant, il existe encore un peu partout de nombreuses poteries artisanales.

Méthodes de formage

La première méthode de fabrication de poterie impliquait la méthode de construction à la main. Des bobines d'argile sont enroulées les unes sur les autres et collées ensemble en appuyant avec les mains. L'argile est d'abord transformée en un état mou en la travaillant avec de l'eau. L'objet est ensuite façonné et moulé à la main, une fois les bobines collées.

Le tour de potier est devenu un outil de création de poterie. Avec cette méthode de formage, un tas d'argile est placé sur une plaque circulaire tournante et est façonné par les mains humides du potier. L'eau empêche les mains du potier de coller à l'argile et maintient l'argile humide et utilisable. Les poignées, les becs et autres protubérances de l'argile en rotation sont placés juste avant que l'objet ne soit tiré.

Casting est souvent utilisé aujourd'hui lorsque l'on souhaite une poterie de haute qualité et lorsque les parois du récipient doivent être très minces. Un mélange d'argile et d'eau, appelé engobe, est coulé dans un moule en plâtre de Paris. Le plâtre absorbe l'eau, provoquant le dépôt d'une fine couche d'argile tout autour de l'intérieur du moule. Lorsque le dépôt d'argile est suffisamment épais pour former les parois du vase, le reste de la barbotine est versé, laissant la vaisselle humide à l'intérieur de la forme. En séchant, il rétrécit quelque peu et peut être retiré du moule. Habituellement, les moules sont construits de manière à pouvoir être démontés.

Lorsque la pièce devient complètement sèche, elle est lissée et préparée pour le processus de cuisson. Il est placé dans une boîte en argile réfractaire appelée fléchir, qui protège la pièce des flammes et des gaz émis pendant le processus, tout comme un four protégerait une miche de pain en cours de cuisson. Les saggers sont placés les uns sur les autres dans un four. Le four est une grande structure construite en briques réfractaires et entourée de conduits de cheminée afin que les flammes du feu puissent totalement entourer les plats sans jamais entrer en contact avec eux. La fumée décolorerait les pièces si elles n'étaient pas protégées de cette manière.

La plupart des pièces sont tirées au moins deux fois. Le premier passage au four s'appelle le bisque cuisson, et le morceau de poterie est appelé un biscuit or morceau de biscuit. Après cuisson, la biscuiterie est émaillée. Une glaçure est un revêtement vitreux et brillant qui rend la poterie plus attrayante et utilisable. Les émaux contiennent de la silice, un fondant pour abaisser la température de fusion (plomb, baryum...) et des oxydes métalliques comme colorants. Lorsque la glaçure est appliquée sur la poterie et qu'elle est complètement sèche, elle est à nouveau replacée dans le four et est cuite à une température si élevée que la glaçure fond et recouvre toute la surface de la poterie.

Sortes de poterie

• Grès est une poterie faite d'argile claire ou foncée. Il est émaillé sur le corps non brûlé soit avant la mise dans le four, soit au moyen de sel pendant le processus de combustion et est brûlé à un état dense et dur.

• Porcelaine est une vaisselle blanche vitrifiée. Il est translucide. En porcelaine, la pâte et l'émail sont amenés à maturité et à maturité lors d'une seule et même cuisson, qui s'effectue à très haute température.

• Chine est une vaisselle semblable à la porcelaine. Le corps et la glaçure sont amenés à maturité et à maturité lors de la même cuisson, à des températures extrêmement élevées.

• Porcelaine d'os est une variété de porcelaine dans laquelle l'os brûlé est utilisé comme ingrédient, constituant environ 40% de la masse.

• Faïence a un corps blanc ou presque blanc. Il est produit par deux cuissons, comme la porcelaine, mais son corps reste poreux. La glaçure est similaire à celle de la porcelaine mais est faite d'un matériau moins cher.

• Faïence est une faïence fine émaillée utilisée à des fins ornementales et décoratives. Habituellement, il n'y a aucune tentative de produire un corps blanc et les glaçures sont fréquemment colorées.

 

Les procédés de fabrication

Les propriétés physiques de la poterie varient selon la composition du corps et les conditions de cuisson. Le corps pour une utilisation particulière est sélectionné principalement pour ses propriétés physiques, mais les corps blancs sont le plus souvent choisis pour la vaisselle.

Les produits industriels (par exemple, les réfractaires, les isolants électriques, les supports de catalyseur, etc.) ont une large gamme de propriétés en fonction de leur utilisation éventuelle.

Matières premières. Les ingrédients de base d'un corps en poterie sont indiqués dans le tableau 1, qui indique également les proportions typiques dans les types de corps d'échantillon.

Tableau 1. Constituants corporels typiques (%)

 

La néphéline-syénite est parfois utilisée comme fondant, et l'alumine peut remplacer une partie ou la totalité de la charge de quartz dans certains corps de type porcelaine. La cristobalite (sable calciné) est utilisée comme charge dans certains corps de poterie, en particulier dans l'industrie des carreaux muraux.

La composition corporelle est déterminée en partie par les propriétés requises du produit final et en partie par la méthode de production. Une base en plastique est essentielle pour les articles qui sont façonnés lorsqu'ils sont humides, mais pas pour les processus de formage non plastiques, tels que le pressage de la poussière. La base en plastique n'est pas essentielle, bien que l'argile reste l'ingrédient principal de la plupart des produits céramiques, y compris ceux préparés par pressage à la poussière.

Les céramiques industrielles ne sont pas présentées dans le tableau 1, car leur composition va de toute la pâte à modeler ou argile réfractaire, sans fondant ou charge supplémentaire, à presque toute l'alumine, avec une quantité minimale d'argile et sans fondant ajouté.

Pendant la cuisson, le fondant fond dans un verre pour lier les ingrédients ensemble. Lorsque la quantité de flux augmente, la température de vitrification est abaissée. Les charges influencent la résistance mécanique de la poterie avant et pendant la cuisson ; dans la fabrication de vaisselle, le quartz (sous forme de sable ou de silex calciné) est traditionnellement utilisé, sauf que la cendre d'os est utilisée dans la fabrication de porcelaine tendre. L'utilisation d'alumine ou d'autres charges non siliceuses, déjà employées dans la fabrication de céramiques industrielles, s'étend à la fabrication d'autres articles, y compris des produits domestiques.

En cours. Les processus de base dans la production de poterie comprennent:

• préparation des ingrédients corporels

• former et façonner

• cuisson des biscuits

• application de glacis

• cuisson brillante

• décoration.

 

Les opérations préparatoires de calcination, de concassage et de broyage du silex ou de la pierre peuvent être effectuées dans un établissement séparé, mais il est d'usage que toutes les opérations ultérieures soient effectuées dans la même usine. Dans la slip house, les ingrédients du corps sont mélangés dans de l'eau ; de l'argile plastique est ensuite produite par filtration et bouchage ; la barbotine est ensuite préparée par bluntage jusqu'à l'obtention d'une consistance crémeuse. La poussière de pressage est préparée par séchage et broyage.

Les classifications traditionnelles des procédés de mise en forme sont présentées dans le tableau 2. Lors du moulage, une suspension aqueuse du corps est versée dans un moule absorbant et le moulage est retiré après séchage partiel. La mise en forme de l'argile plastique par projection est désormais rare dans la production industrielle ; l'étalement mécanique sur ou dans un moule en plâtre (jiggering et jolly) avec séparation du moule après séchage est quasi universel dans la confection des arts de la table. Le pressage de l'argile plastique ou l'extrusion est principalement réservé aux céramiques industrielles. Les articles dépoussiérés sont produits en compactant la poussière corporelle pré-séchée à la main ou par pressage mécanique.

Tableau 2. Processus de fabrication

 

Après le façonnage, la vaisselle peut être séchée et finie par ébavurage, remorquage ou épongeage. Ensuite, il est prêt pour la cuisson des biscuits.

Après la cuisson du biscuit, l'émail est appliqué par trempage ou pulvérisation; le trempage peut être manuel ou mécanisé. La vaisselle émaillée est ensuite recuite. Parfois, comme pour les articles sanitaires blancs, une glaçure est appliquée sur l'article en argile séchée et il n'y a qu'une seule cuisson.

La décoration peut être appliquée sous ou sur glaçure et peut être peinte à la main, imprimée à la machine ou transférée ; la décoration sur glaçure implique une troisième cuisson ; et parfois des cuissons séparées pour différentes couleurs sont nécessaires.

Dans les dernières étapes, la marchandise est triée et emballée pour l'expédition. La figure 15 identifie les différents parcours suivis par les différents types de poterie et de céramique lors de leur fabrication.

Figure 15. Organigramme par type de céramique

Tuile En Céramique

Profil général

Céramique est un terme autrefois considéré comme se référant uniquement à l'art ou à la technique de production d'articles de poterie. L'étymologie du terme montre qu'il dérive du grec kéramos, signifiant "un potier" ou "une poterie". Cependant, le mot grec est lié à une racine sanskrite plus ancienne, signifiant « brûler » ; tel qu'utilisé par les Grecs eux-mêmes, sa signification première était simplement « substance brûlée » ou « terre brûlée ». Le concept fondamental contenu dans le terme était celui d'un produit obtenu par l'action du feu sur des matériaux terreux.

Une céramique traditionnelle, dans le contexte de cet article, fait référence aux produits couramment utilisés comme matériaux de construction ou dans la maison et l'industrie. Bien qu'il y ait une tendance à assimiler la céramique traditionnelle à une faible technologie, des technologies de fabrication avancées sont souvent utilisées dans cette industrie. La forte concurrence entre les producteurs a rendu la technologie plus efficace et plus rentable en utilisant des outils et des machines complexes, associés à un contrôle de processus assisté par ordinateur.

Les produits céramiques les plus anciens sont issus de matériaux argileux. Les premiers potiers ont découvert que la nature plastique de l'argile était utile pour former des formes. En raison de sa tendance à présenter une grande quantité de retrait, les corps argileux ont été modifiés en ajoutant du sable grossier et de la pierre, ce qui a réduit le retrait et la fissuration. Dans les corps modernes à base d'argile, les ajouts non argileux typiques sont la farine de silice et les minéraux alcalins qui sont ajoutés en tant que fondants. Dans les formulations céramiques traditionnelles, l'argile agit comme plastifiant et liant pour les autres constituants.

Développement de l'industrie

La production de tuiles en terre cuite séchée et cuite a des origines très anciennes remontant aux populations du Moyen-Orient. L'industrie des carreaux blancs s'est considérablement développée en Europe et, au début du XXe siècle, la production de carreaux de sol et de mur a atteint une échelle industrielle. D'autres développements dans ce domaine ont eu lieu après la Seconde Guerre mondiale. L'Europe (Italie et Espagne, notamment), l'Amérique latine et l'Extrême-Orient sont aujourd'hui les zones les plus importantes de production de tuiles industrielles.

Le secteur des carreaux de sol et de mur de l'industrie des produits blancs a connu un grand développement depuis le milieu des années 1980 avec l'introduction de nouvelles technologies, l'automatisation et l'intégration du flux de production dans le processus de fabrication. Par la suite, la productivité et l'efficacité ont augmenté, tandis que la consommation d'énergie et les coûts ont été réduits. La fabrication de carreaux est désormais continue dans la production de carreaux humides et secs, et de nombreuses usines ont aujourd'hui une automatisation à près de 100 %. Les innovations majeures dans l'industrie du carrelage au cours de la dernière décennie comprennent le meulage humide, le séchage par pulvérisation, le pressage à sec à haute pression, le séchage au rouleau et les technologies de cuisson rapide.

La valeur de l'approvisionnement du marché américain des carreaux de céramique (expéditions des usines américaines plus importations) a augmenté d'environ 9.2 % par an entre 1992 et 1994. On estime que les ventes en dollars ont atteint 1.3 milliard de dollars en 1994. Dans le même temps, le volume des ventes a augmenté de 11.9 %. % composé annuellement à 1.3 milliard de pieds carrés. Cela se compare à un taux de croissance du marché de 7.6 % basé sur les ventes en dollars et de 6.9 % basé sur les ventes en volume entre 1982 et 1992.

Classifications des carreaux de céramique

Redware et whiteware

De nombreux types de carreaux de céramique sont disponibles sur le marché. Ils diffèrent selon l'état de la surface, la couleur du corps (blanc ou rouge), la technologie de fabrication, les matières premières et l'utilisation finale. La différence entre les carreaux "rouges" et "blancs" réside dans la quantité de minéraux de fer contenus dans le corps. En réagissant avec les autres composants du corps, ils peuvent donner plus ou moins de coloration et modifier le comportement du corps lors du tir.

Une classification complète et exhaustive est très difficile en raison de l'extrême hétérogénéité des produits carrelés, de leur traitement et de leurs caractéristiques ultérieures. Dans ce chapitre, les normes européennes (EN) et ASTM sont prises en compte.

Les normes EN classent exclusivement les carreaux de céramique en fonction de l'absorption d'eau (qui est directement corrélée à la porosité) et de la méthode de mise en forme (extrusion ou pressage). Les méthodes de mise en forme sont classées comme suit :

• processus de mise en forme A (carreaux de sol extrudés). Ce processus comprend des tuiles fendues et des tuiles extrudées individuellement.

• processus de mise en forme B (carreaux de sol et de mur pressés à sec).

 

La norme européenne EN 87, approuvée en novembre 1981, précise que « Les carreaux de sol et de mur en céramique sont des matériaux de construction généralement destinés à être utilisés comme revêtements de sol et de mur, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur, quelles que soient leurs formes et leurs dimensions ».

La spécification ANSI (American National Standards Institute) pour les carreaux de céramique (ANSI A 137.1) contient les définitions suivantes :

• Carreau de mosaïque en céramique est formé par la méthode de la poussière pressée ou du plastique, généralement de 6.4 à 9.5 mm (1/4 à 1/8 po) d'épaisseur, et a une surface faciale inférieure à 39 cm² (6 dans² ). Les carreaux de mosaïque en céramique peuvent être en porcelaine ou en argile naturelle, et ils peuvent être simples ou avec un mélange abrasif partout.

• Carrelage mural décoratif est un carreau émaillé avec un corps mince qui est généralement non vitreux et qui convient à une utilisation murale résidentielle décorative intérieure où la résistance à la rupture n'est pas une exigence.

• Dalle de pavé est un carreau de porcelaine émaillée ou non émaillée ou d'argile naturelle formé par la méthode de la poussière pressée ayant 39 cm² (6 dans² ) ou plus de zone faciale.

• Carreau de porcelaine est un carreau de mosaïque en céramique ou un carreau de pavé qui est généralement fabriqué par la méthode de pressage à la poussière avec la composition de carreau résultante qui est dense, imperméable, à grain fin et lisse, avec une face fortement formée.

• Carrelage est une tuile émaillée ou non émaillée, fabriquée par le procédé d'extrusion à partir d'argile ou de schiste naturel, ayant généralement 39 cm² (6 dans²) ou plus de zone faciale.

• carrelage mural est un carreau émaillé avec un corps qui convient à un usage intérieur et généralement non vitreux et qui n'est pas tenu de résister à un impact excessif ou d'être soumis à des conditions de gel et de dégel.

• Catégories individuelles de carrelage blanc comprennent les carreaux non émaillés (carreaux de mosaïque en céramique, carreaux de carrière, carreaux de pavé) et les carreaux émaillés (carreaux muraux émaillés, carreaux de mosaïque en céramique émaillée, carreaux de carrière émaillés, carreaux de pavé émaillé) (ANSI 1988).

 

Les carreaux sont fabriqués par des procédés céramiques standards. Les carreaux de mur et de sol en céramique sont préparés à partir d'un mélange d'argiles, de sable, de fondants, de colorants et d'autres matières premières minérales, et subissent des traitements tels que le broyage, le tamisage, le mélange et le mouillage. Ils sont façonnés par un procédé de pressage, d'extrusion, de coulée ou autre, normalement à température ambiante, et sont ensuite séchés et finalement cuits à haute température. Les carreaux peuvent être émaillés, non émaillés ou engobés. Les glaçures sont des revêtements imperméables semblables à du verre, et les engobes sont des revêtements mats à base d'argile qui peuvent également être poreux. Les carreaux de mur et de sol émaillés sont produits en une ou deux étapes de cuisson.

Les corps en céramique traditionnels sont façonnés en utilisant de nombreuses techniques différentes. Le processus de formage spécifique est dicté par de nombreux facteurs, notamment les caractéristiques du matériau, la taille et la forme de la pièce, les spécifications de la pièce, le rendement de production et les pratiques acceptées dans la région géographique.

Les corps à base d'argile sont des mélanges hétérogènes d'une ou plusieurs argiles et d'une ou plusieurs poudres non argileuses. Avant d'atteindre une forme définitive, ces poudres subissent une séquence d'opérations unitaires, cuisson et post-cuisson (voir figure 17).

Pour la plupart des corps traditionnels, les techniques de formage peuvent être classées en formage de plastique souple, formage de plastique rigide, pressage et moulage.

La pression appliquée est utilisée pour réorganiser et redistribuer les matières premières dans une configuration mieux emballée. Le comportement rhéologique des corps à base d'argile résulte de l'interaction du minéral argileux avec l'eau, qui confère de la plasticité à la charge. Dans les corps non argileux, ce même type de comportement peut être obtenu en ajoutant des plastifiants.

Céramique industrielle

Profil général

La céramique diffère des autres matériaux techniques (métaux, plastiques, produits du bois, textiles) par un certain nombre de propriétés individuelles. La différence la plus distinctive pour un concepteur ou un utilisateur potentiel d'articles en céramique est peut-être la forme et la taille uniques de chaque pièce en céramique. Les céramiques ne sont pas facilement façonnées ou travaillées après cuisson, sauf par un meulage très coûteux; par conséquent, ils doivent normalement être utilisés tels quels. À l'exception de quelques formes simples de tuiles, de tiges et de tubes de tailles limitées, la céramique ne peut être commercialisée au pied ou à la verge, ni coupée pour s'adapter au travail.

Toutes les propriétés utiles, y compris la forme et la taille, doivent être fournies à l'avance, dès les toutes premières étapes du traitement de la céramique. L'intégrité structurelle de chaque pièce doit être préservée à travers une variété d'expositions aux contraintes thermiques et mécaniques pendant le traitement et jusqu'à ce que la pièce soit finalement installée et en service. Si une céramique tombe en panne en service à la suite de diverses causes (rupture fragile à l'impact, choc thermique, rupture diélectrique, abrasion ou corrosion du laitier de fusion), elle n'est probablement pas réparable et doit généralement être remplacée.

Des progrès significatifs ont été réalisés dans la compréhension fondamentale et le contrôle technologique des propriétés de la céramique et de leur utilisation dans de nombreuses applications nouvelles, exigeantes et hautement techniques. L'industrie en général, et sa partie céramique technique et électronique en particulier, a mis au point des techniques de production et de contrôle pour produire en masse des formes complexes dans des corps aux propriétés électriques, magnétiques et/ou mécaniques soigneusement contrôlées tout en respectant des tolérances dimensionnelles suffisantes pour permettre un assemblage relativement facile avec d'autres composants.

De nombreuses céramiques sont produites en grand volume en tant qu'articles standard. Les briques et formes réfractaires, les creusets, les moufles, les tubes de four, les isolateurs, les tubes de protection de thermocouple, les diélectriques de condensateur, les joints hermétiques et les panneaux de fibres sont régulièrement stockés par un certain nombre de producteurs de céramique dans une variété de compositions et de tailles. Il est généralement plus rapide et moins cher d'utiliser des articles en stock dans la mesure du possible. Lorsque les articles en stock ne répondent pas aux besoins, la plupart des fabricants sont prêts à produire des articles sur mesure. Plus les exigences pour une propriété donnée de la céramique sont strictes, ou plus les exigences pour des combinaisons spécifiques de propriétés, de tailles et de formes sont strictes, plus les paramètres de composition, de microstructure et de configuration acceptés pour la céramique sont limités. D'où le coût et la difficulté de fabrication sont plus importants. La plupart des fabricants de céramique ont des ingénieurs et des concepteurs expérimentés qui sont bien qualifiés pour travailler avec des clients potentiels sur les détails de la conception des articles en céramique.

Marchés

Le principal marché des céramiques de pointe a été et continuera d'être celui de l'électronique, mais de vigoureux programmes mondiaux de recherche et de développement recherchent en permanence de nouvelles applications et identifient des moyens d'améliorer les propriétés de la céramique afin d'accéder à de nouveaux marchés.

Les céramiques avancées sont produites au Japon, aux États-Unis et en Europe occidentale. Les matières premières utilisées dans l'industrie sont commercialisées sur une base internationale, principalement sous forme de poudres, mais il existe également une quantité importante de traitement interne.

Les principales applications de la céramique industrielle sont :

• Oxydes. Les principaux matériaux d'oxyde utilisés aujourd'hui sont l'alumine dans les bougies d'allumage, les substrats et les applications d'usure ; zircone (ZrO₂) dans les capteurs d'oxygène, en tant que composant dans les composants piézoélectriques au plomb-zirconium-titanate (PZT), les applications d'usure et les revêtements de barrière thermique ; les titanates dans les condensateurs au titanate de baryum et les piézoélectriques PZT ; et les ferrites dans les aimants permanents, les têtes d'enregistrement magnétiques, les dispositifs de mémoire, les capteurs de température et les pièces de moteurs électriques.

• Carbures et nitrures. Les carbures (principalement le carbure de silicium et le carbure de bore) sont utilisés dans les applications d'usure, tandis que les nitrures (principalement le nitrure de silicium et le Sialon) sont utilisés dans les applications d'usure et les outils de coupe. Le nitrure d'aluminium, avec sa conductivité thermique élevée, est le principal matériau concurrent pour une partie du marché des substrats électroniques actuellement dominé par l'alumine.

• Céramique à oxydes mixtes. Les efforts de recherche et de développement de la céramique se concentrent sur un certain nombre de nouvelles applications de la céramique qui ont toutes un énorme potentiel. Trois applications importantes sont : (1) les supraconducteurs en céramique, (2) les céramiques pour les piles à combustible à oxyde solide et (3) les composants en céramique pour les moteurs thermiques.

 

Les supraconducteurs en céramique sont basés sur un certain nombre de systèmes d'oxydes mixtes qui comprennent l'yttrium, le baryum, le cuivre, le strontium et le cuivre (YBa₂Cu₃O_7-8, bis₂Sr₂CaCu₂O₈, bis₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀) stabilisé à l'oxyde de plomb. Les céramiques pour piles à combustible à oxyde solide sont basées sur des conducteurs ioniques dans lesquels la zircone stabilisée de haute pureté est actuellement le matériau de choix. Les composants céramiques des moteurs thermiques à l'étude sont composés de carbure de silicium, de sialons et de zircone, sous forme de céramiques monophasées, de composites céramique-céramique ou de composites à matrice métallique (MMC).

Les procédés de fabrication

Développement de la technologie de fabrication

Innovations de traitement. L'activité de recherche et développement génère de nouvelles technologies pour la production de matériaux céramiques. Les céramiques dérivées de précurseurs ont été estimées avoir une valeur marchande de 2 millions de dollars EU en 1989, dont la majeure partie était en CVD (86% de la valeur marchande totale). D'autres segments de ce marché en croissance comprennent l'infiltration chimique en phase vapeur (CVI), le sol-gel et la pyrolyse des polymères. Les produits qui sont fabriqués avec succès par ces moyens comprennent des fibres céramiques continues, des composites, des membranes et des poudres ultra-pure/haute activité.

Les processus utilisés pour convertir ces matières premières en produits finis comprennent un traitement supplémentaire de la poudre (par exemple, le broyage et le séchage par pulvérisation) avant de former des formes vertes qui sont ensuite cuites dans des conditions contrôlées. Les processus de formage comprennent le pressage sous pression, le pressage isostatique, le coulage en barbotine, le coulage en bande, l'extrusion, le moulage par injection, le pressage à chaud, le pressage isostatique à chaud (HIP), le CVD, etc.

Additifs chimiques pour faciliter le traitement de la céramique. Chaque étape du processus de fabrication nécessite un contrôle minutieux afin que les propriétés du produit final soient obtenues avec une efficacité de production maximale et que des produits chimiques à effet clé soient utilisés pour optimiser le traitement de la poudre et la formation verte. Les produits chimiques à effet comprennent des auxiliaires de broyage, des floculants et des liants, des lubrifiants pour effectuer la libération du produit pendant le pressage et minimiser l'usure des pièces de matrice, et des plastifiants pour faciliter l'extrusion et le moulage par injection. Une liste de ces produits chimiques est présentée dans le tableau 3. Bien que ces matériaux jouent un rôle économique important dans la production, ils sont brûlés pendant la cuisson et ne jouent aucun rôle dans la chimie du produit final. Le processus de combustion doit être soigneusement contrôlé pour éviter le carbone résiduel dans les produits finis, et la recherche et le développement de processus étudient en permanence les moyens de minimiser les niveaux de produits chimiques à effet utilisés.

Tableau 3. Additifs chimiques sélectionnés utilisés pour optimiser le traitement des poudres et le formage vert des céramiques

 

Outre la création de produits céramiques et de technologies de fabrication de céramiques pour de nouvelles applications, l'influence de l'industrie de la céramique de pointe sur l'industrie de la céramique traditionnelle ne doit pas être négligée. On s'attend à ce que de nombreux matériaux et procédés de haute technologie trouvent une application dans l'industrie céramique traditionnelle, cette dernière s'efforçant de réduire les coûts de fabrication, d'améliorer la qualité et de donner une meilleure valeur au service à l'utilisateur final.

Matières premières

Certains matériaux clés sont utilisés directement par l'industrie céramique ou représentent le point de départ de la production de matériaux à valeur ajoutée :

• silice

• avec l'argile

• alumine

• magnésie

• Titania

• oxyde de fer

• zircon/zircone.

 

Cette discussion portera sur les propriétés de la silice, de l'alumine et du zircon/zircone.

Silica, en plus de son utilisation dans les réfractaires et les céramiques blanches, est également le point de départ de la fabrication du silicium élémentaire, du carbure de silicium et du tétrachlorure de silicium. Le silicium, à son tour, est le point de départ du nitrure de silicium, et le tétrachlorure de silicium est le précurseur d'une large gamme de composés organiques de silicium qui peuvent être pyrolysés dans des conditions contrôlées en carbure de silicium et en nitrure de silicium de haute qualité.

Le nitrure de silicium et ses dérivés Sialon, ainsi que le carbure de silicium, malgré leur tendance à s'oxyder, ont le potentiel de répondre à de nombreuses cibles de propriétés fixées par le marché des moteurs thermiques. Une caractéristique de la silice et des matériaux céramiques dérivés de la silice est que tous les éléments sont facilement disponibles dans la croûte terrestre. À cet égard, ces matériaux offrent le potentiel d'une facilité d'approvisionnement dans toutes les régions du monde. En pratique, cependant, il y a un apport d'énergie important nécessaire pour produire du silicium et du carbure de silicium. Par conséquent, la fabrication de ces matériaux est en grande partie limitée aux pays disposant d'une énergie électrique bon marché et facilement disponible.

Alumine se trouve dans toute la croûte terrestre en tant que composant des minéraux aluminosilicates. L'économie dicte que l'alumine soit extraite de la bauxite en utilisant le procédé Bayer. La bauxite est répandue dans la ceinture équatoriale dans différents états de pureté et se divise en deux catégories : minerai de qualité réfractaire et minerai métallurgique.

La bauxite de qualité réfractaire est fournie par la Chine et la Guyane sous forme de calcine à haute température du minéral naturel : la diaspore (Al₂O₃· H₂O) en Chine et gibbsite (Al₂O₃· 3H₂O) en Guyane. Lors de la calcination, un assemblage complexe de phases de corindon (Al₂O₃), de la mullite, du verre de silice et des niveaux mineurs de titanate d'aluminium se forment. La consommation de bauxite de qualité réfractaire dépasse 700,000 XNUMX tonnes par an à l'échelle mondiale.

La bauxite de qualité métallurgique est extraite en Australie, en Jamaïque et en Afrique de l'Ouest, et a des niveaux variables d'alumine en conjonction avec des impuretés majeures telles que l'oxyde de fer et la silice. L'alumine des minerais métallurgiques est extraite du minerai lorsqu'elle est dissoute par de l'hydroxyde de sodium, donnant une solution d'aluminate de sodium qui est séparée de l'oxyde de fer et de la silice, qui sont rejetés comme déchet sous forme de boue rouge. Essentiellement, l'hydroxyde d'aluminium pur est précipité à partir de l'aluminate de sodium, puis calciné en un certain nombre de qualités d'alumine.

Les alumines de haute pureté utilisées dans l'industrie céramique et issues du procédé Bayer sont classées en alumine tabulaire, alumine fondue ou alumine calcinée de spécialité.

L'alumine tabulaire est produite par calcination à haute température (~ 2,000 3,630 ° C ou XNUMX XNUMX ° F) d'alumine calcinée à basse température dans de grands fours rotatifs à mazout. L'alumine fondue est produite par la fusion électrique d'alumine calcinée. L'alumine tabulaire et fondue est vendue à l'industrie réfractaire sous forme broyée et calibrée pour être utilisée dans une large gamme de produits de haute qualité, tels que les réfractaires de coulée continue (par exemple, les grilles à encoche ou SEN/coulissantes), les réfractaires monolithiques pour une application dans les hauts fourneaux et l'industrie pétrochimique.

Les poudres d'alumine calcinée de spécialité sont les principales matières premières utilisées dans l'industrie de la céramique de pointe pour les applications électroniques et d'ingénierie. Les poudres sont produites dans une large gamme de qualités selon des spécifications rigoureuses de chimie, de taille de particules et de type de cristal, pour s'adapter à une large gamme d'applications de produits finaux.

Il existe un commerce international établi d'alumines de haute qualité. De nombreux fabricants de céramique disposent d'installations de broyage et de séchage par pulvérisation en interne. Il existe clairement une limite à la croissance de l'offre de systèmes atomisés et un besoin permanent de fournir des alumines adaptées aux usines des clients afin d'optimiser l'utilisation de celles-ci à un prix acceptable. L'alumine est un matériau céramique important qui est disponible à un haut degré de pureté. La position dominante de l'alumine en tant que matière première céramique découle du fait qu'elle possède des propriétés souhaitables à un coût relativement faible. Cette rentabilité est attribuable à la nature marchande de l'entreprise découlant de la forte demande d'alumine par l'industrie de l'aluminium.

Zircon et zircone. La principale source de zircone est le minéral zircon (ZrO₂  SiO₂), qui existe dans le sable des plages principalement en Australie, en Afrique du Sud et aux États-Unis. Le zircon extrait du sable des plages contient environ 2 % d'oxyde d'hafnium et des traces d'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 traité par broyage fin pour produire une gamme de produits broyés de granulométrie définie. Ces produits ont trouvé une utilisation dans le moulage de précision, les fonderies, les produits réfractaires et comme opacifiant dans les émaux pour les produits blancs.

Le zircon est également la principale source de zircone. Le zircon peut être chloré en présence de carbone pour donner des tétrachlorures de zirconium et de silicium qui sont ensuite séparés par distillation. Le tétrachlorure de zirconium produit peut être utilisé pour préparer la zircone directement ou comme matière première pour d'autres produits chimiques à base de zirconium. Le frittage avec des oxydes alcalins ou alcalino-terreux est également utilisé pour décomposer le zircon. La silice est lixiviée des produits de décomposition avec de l'eau, laissant l'hydroxyde de zirconium à purifier davantage par dissolution acide et reprécipitation. La zircone est ensuite obtenue par calcination de l'hydroxyde. Le zircon est également converti en zircone et en silice dans un plasma à 1,800 3,270 °C (XNUMX XNUMX °F) avec un refroidissement rapide pour empêcher la réassociation. La silice libre est éliminée par dissolution dans de la soude. La zircone fondue est produite dans des fours à arc électrique à partir de matières premières de baddeleyite ou de zircon/carbone. Dans ce dernier procédé, le composant silice du zircon est réduit par voie carbothermique en monoxyde de silicium, qui se volatilise avant la fusion de la zircone résiduelle.

Résumé

L'industrie de la céramique industrielle est très diversifiée et il y a beaucoup de traitement en interne. De nombreuses opérations de fabrication finales se déroulent dans des atmosphères de type fonderie. Les systèmes de manutention de ces opérations transportent des matières premières fines où la poussière peut être un problème. Les matériaux sont ensuite portés à des températures très élevées et fondus ou fusionnés en formes nécessaires pour les pièces finales. Par conséquent, bon nombre des problèmes de sécurité qui existent dans toute industrie à haute température existent également dans l'industrie de la céramique industrielle.

Brique et Carrelage

Profil général

Les briques et les tuiles en argile sont utilisées comme matériau de construction depuis les temps les plus reculés dans de nombreuses régions du monde. Lorsqu'elles sont correctement fabriquées et cuites, elles sont plus durables que certaines pierres, résistantes aux intempéries et aux grands changements de température et d'humidité. La brique est un rectangle de taille standard, variant légèrement d'une région à l'autre mais essentiellement pratique à manipuler d'une seule main par un maçon ; les tuiles sont des dalles minces, plates ou courbes; les carreaux d'argile peuvent également être utilisés pour les sols.

L'industrie de la brique est très fragmentée. Il existe de nombreux petits fournisseurs situés partout dans le monde. La fabrication de briques a tendance à impliquer des fournisseurs locaux et des marchés locaux en raison du coût d'expédition du produit fini. En 1994, il y avait 218 usines de fabrication de briques aux États-Unis, et en 1992, le nombre de producteurs de produits structuraux en argile au Royaume-Uni était de 182, par exemple. Les fabricants de briques sont généralement situés à proximité des gisements d'argile afin de réduire les coûts d'expédition des matières premières.

Aux États-Unis, les briques sont principalement utilisées dans la construction résidentielle comme matériau porteur ou comme matériau de façade. Étant donné que l'industrie de la brique est si étroitement liée à l'industrie du logement, l'activité manufacturière dépend fortement de l'industrie de la construction résidentielle et dépend presque totalement de l'industrie combinée de la construction résidentielle et non résidentielle.

Les procédés de fabrication

Matériaux et traitement

Le matériau de base est l'argile de différentes natures avec des mélanges de limons, de schistes et de sable, selon l'offre et les besoins locaux, pour donner les propriétés requises de texture, de plasticité, de régularité et de retrait, et de couleur.

L'extraction de l'argile est aujourd'hui souvent entièrement mécanisée ; la fabrication a généralement lieu le long du trou d'extraction, mais dans les grands ouvrages, l'argile est parfois transportée en patins sur des téléphériques. Le traitement ultérieur de l'argile varie selon sa constitution et le produit final, mais comprend en général le concassage, le broyage, le criblage et le malaxage. Voir la figure 16 pour une opération typique de fabrication de briques.

Figure 16. La fabrication des briques & tuiles

L'argile pour les briques coupées au fil est brisée par des rouleaux; l'eau est ajoutée dans un mélangeur; le mélange est de nouveau laminé puis introduit dans un broyeur horizontal. La pâte plastique extrudée est ensuite coupée à dimension sur une table de coupe au fil. La matière plastique semi-sèche et rigide est produite par laminage et tamisage et est ensuite acheminée vers des presses mécaniques. Certaines briques sont encore moulées à la main.

En cas d'utilisation de matière plastique, les briques doivent être séchées soit au soleil et à l'air, soit plus fréquemment dans des fours réglementés, avant la cuisson ; les briques en plastique semi-sec ou rigide peuvent être cuites immédiatement. La cuisson peut avoir lieu dans des fours circulaires, souvent alimentés manuellement, ou dans des fours tunnels, alimentés mécaniquement. Les combustibles utilisés varieront en fonction de la disponibilité locale. Un glacis de finition est appliqué sur certaines briques décoratives.

Réfractaires

Profil général

Les matériaux réfractaires sont traditionnellement considérés comme des matériaux non métalliques qui résistent à la dégradation par des gaz, des liquides ou des solides corrosifs à des températures élevées. Ces matériaux doivent résister aux chocs thermiques causés par un chauffage ou un refroidissement rapide, aux défaillances attribuables aux contraintes thermiques, à la fatigue mécanique due au contact d'autres matériaux avec le réfractaire lui-même et aux attaques chimiques activées par l'environnement à haute température. Ces matériaux sont nécessaires à la fabrication de la plupart des produits céramiques et sont spécifiquement nécessaires dans les fours, les séchoirs, les fours et les pièces de moteur à haute température.

Les réfractaires sont restés presque exclusivement à base de minéraux jusqu'à une bonne partie du XXe siècle. Pourtant, les technologues compétents en minéralogie y prêtaient attention. Les métallurgistes expérimentaient les pratiques de scorification acide et basique depuis le Moyen Âge et avaient répertorié certains des avantages de chacune. Les artisans réfractaires avaient en conséquence expérimenté le ganister , avec d'autres minéraux de silice presque purs et avec de la magnésite , un MgCO principalement₃ minéral qui a été calciné en MgO. Lorsque le convertisseur sidérurgique Bessemer a été inventé en 1856, combinant des températures de travail de plus de 1,600 1857 °C avec un décrassage acide corrosif, les réfractaires de silice « acide » étaient presque prêts. Lorsque le four à foyer ouvert de Siemens a suivi en XNUMX à des températures encore plus élevées et que la fabrication de l'acier est passée dans les deux cas à une scorification basique corrosive, des revêtements de magnésite "basiques" ont rapidement été introduits. Les réfractaires basiques à base de dolomite (MgO-CaO) ont été développés pendant la Première Guerre mondiale, lorsque l'approvisionnement européen en magnésite a été coupé des Alliés. Plus tard, avec le développement d'autres ressources minérales dans le monde, la magnésite s'est réaffirmée.

Tableau 4. Utilisation des réfractaires par industrie aux États-Unis

 

Pendant ce temps, des briques de carbone liées ont été produites au Royaume-Uni à partir de 1863 et ont finalement trouvé leur chemin dans le haut fourneau de fusion du fer alors que ses températures de travail montaient encore plus haut. Ils entrent aussi rapidement dans les cellules de Hall-Héroult pour la production d'aluminium (1886).

La chaux était fabriquée depuis environ 5,000 1877 ans à l'aide d'argile, puis de fours à briques réfractaires. La fabrication du ciment Portland a d'abord nécessité un réfractaire innovant lorsque les fours rotatifs ont été introduits après XNUMX. Les premiers revêtements résistants étaient en clinker de ciment lié au ciment. Plus tard, des réfractaires commerciaux plus durables sont revenus dans cette industrie.

Les fours de récupération et de régénération, issus de la fabrication naissante de l'acier dans les années 1850, ont été introduits dans la métallurgie des métaux non ferreux et la verrerie à la fin du XIXe siècle. Les réfractaires en argile réfractaire devaient également être remplacés. Les revêtements de magnésite ont été utilisés dans les convertisseurs de cuivre à partir de 19 et dans les premiers réservoirs en verre modernes environ 1909 ans plus tard. Les fours à arc électrique ont été essayés pour la première fois pour la fabrication de l'acier en 10 et sont devenus courants après 1853. Une unité d'environ 1990 tonnes installée aux États-Unis en 100 utilisait un revêtement de magnésite.

Les fours à arc triphasé étaient en place avant 1950; ce n'est qu'alors que de sérieuses demandes ont surgi pour des réfractaires plus sophistiqués. Dans le même temps, le soufflage d'oxygène a été introduit dans les fours Bessemer et à foyer ouvert dans les années 1940. Le four basique à oxygène (BOF) a littéralement pris le relais de la sidérurgie à la fin des années 1950. Le soufflage d'oxygène, par son importance économique, a poussé pour la première fois l'industrie des réfractaires à introduire massivement des matières synthétiques dans ses produits.

Un autre facteur essentiel pour comprendre les performances d'un réfractaire est la stabilité dimensionnelle. Tout au long de l'utilisation industrielle, les matériaux réfractaires sont soumis à des cycles de chauffage/refroidissement, qui provoquent la dilatation ou la contraction des unités réfractaires. De grands changements dans les dimensions réduiront la stabilité et peuvent finalement conduire à une défaillance de la structure à base de réfractaire.

Un phénomène connexe couramment observé avec les matériaux réfractaires est l'écaillage. L'écaillage est généralement considéré comme une fracture, un fendillement ou un écaillage du réfractaire, entraînant l'exposition de la masse interne du matériau. L'écaillage est généralement provoqué par des gradients de température dans le matériau, une compression dans la structure due à des charges de grand volume et des variations du coefficient de dilatation thermique dans la brique. Tous les efforts sont faits dans la fabrication des réfractaires pour éviter l'écaillage car cela réduit l'efficacité du réfractaire.

Les réfractaires ont des applications dans une grande variété d'applications industrielles allant d'une utilisation intensive dans l'industrie sidérurgique à des utilisations à faible volume dans les industries du ciment et des services publics. Fondamentalement, les réfractaires sont utilisés dans toute industrie où des températures élevées sont utilisées pour chauffer et sécher ou incinérer des matériaux. Le tableau 4 présente une répartition actuelle par industrie de l'utilisation des réfractaires aux États-Unis.

Comme le montre le tableau 4, l'industrie sidérurgique est le domaine où plus de 50 % du réfractaire produit aux États-Unis est utilisé. Par conséquent, les besoins de l'industrie sidérurgique ont dans une large mesure conduit les développements réfractaires qui se sont produits.

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Réfractaires modernes

La céramique était passée de l'artisanat à la science appliquée. L'American Ceramic Society avait été fondée en 1899, la British Ceramic Society en 1901. Les diagrammes de phase d'oxyde ont commencé à apparaître dans la littérature dans les années 1920. Les techniques de pétrographie étaient bien développées et les mécanismes détaillés de la dégradation et de l'usure des réfractaires commençaient à être compris. Les producteurs américains de réfractaires s'étaient largement réorganisés, consolidés et capables d'effectuer leurs propres recherches. Les outils de synthèse réfractaire et les instruments d'investigation sont en plein essor.

Les carbones industriels synthétiques n'étaient bien sûr pas nouveaux. Le coke a d'abord été fabriqué commercialement à partir de charbon dans les années 1860 et à partir de pétrole peu de temps après. Le graphite synthétique et le carbure de silicium sont apparus presque simultanément au tournant du siècle, suite à l'invention par Acheson du four électrique à autorésistance en 1896. Ces produits, aux propriétés assez différentes de celles des oxydes, ont rapidement stimulé leurs propres usages et marchés.

Alumine synthétique, Al₂O₃, était disponible depuis que le procédé Bayer a commencé à alimenter la production d'aluminium vers 1888. La magnésie synthétique (MgO) a été fabriquée pour la première fois à partir d'eau de mer au Royaume-Uni en 1937 et aux États-Unis en 1942, stimulée par les besoins de magnésium en temps de guerre. La zircone était devenue disponible, également stimulée par les militaires. La chaux était une denrée importante depuis des lustres. Une foule d'autres produits chimiques étaient disponibles pour être considérés comme composants réfractaires ou comme additifs mineurs et agents de liaison. Le seul composant important des réfractaires d'oxyde qui a pour la plupart résisté au remplacement par des synthétiques est la silice (SiO₂) Les roches et sables de silice de haute pureté abondent et sont utilisés dans cette industrie ainsi que dans la formulation du verre.

L'utilisation de matières synthétiques dans la fabrication de réfractaires a été extrêmement utile; mais les matières premières minérales n'ont nullement été déplacées. Les synthétiques coûtent plus cher, et ce coût doit être justifié. Certains matériaux synthétiques créent de graves problèmes dans le traitement réfractaire, et de nouveaux moyens doivent être trouvés pour les surmonter. Des résultats optimaux ont souvent été obtenus grâce à des combinaisons de matières premières synthétiques et minérales, ainsi qu'à des apports créatifs dans leur traitement.

Des mélanges d'argile et de carbone avaient été utilisés pour tapisser les creusets et les louches depuis que le fer avait été coulé pour la première fois; et des briques de silice contenant du carbone ont été fabriquées en France dans les années 1860. Depuis 1960, les techniques et les compositions ont radicalement changé. L'utilisation de réfractaires oxydes carbonés s'est multipliée, à commencer par MgO+C. La première véritable impulsion a peut-être été donnée par le BOF ; mais aujourd'hui, il n'y a pratiquement aucun type réfractaire d'oxyde avancé qui ne peut être obtenu avec ou sans carbone ajouté ou un précurseur de carbone pour des performances supérieures dans des applications spécifiques.

Le grain ou l'agrégat réfractaire fondu à l'arc était fabriqué depuis le début des années 1900, et des briques réfractaires fondues de plusieurs compositions ont suivi dans les années vingt et trente, notamment de mullite, d'alumine, de magnésie-alumine-silice et d'alumine-zircone-silice. Le plus souvent, ces produits étaient entièrement fabriqués à partir de matières premières minérales.

En effet, les réfractaires à base entièrement minérale restent aujourd'hui une composante importante de la carte des produits. Ils sont dans l'ensemble moins chers, ils fonctionnent souvent admirablement et il existe encore de nombreuses applications de moindre demande ainsi que celles de demande critique pour les niveaux les plus élevés de réfractarité et de résistance à la corrosion.

Industrie réfractaire

Les réfractaires seront utilisés dans de nombreuses industries pour le revêtement de chaudières, de fours et de fours de toutes sortes, mais le plus grand pourcentage est utilisé dans la fabrication de métaux. Dans l'industrie sidérurgique, un haut fourneau typique ou à foyer ouvert peut utiliser de nombreux types différents de réfractaires, certains à base de silice, certains à partir de chrome et/ou de magnésite et d'autres en argile réfractaire.

Des quantités beaucoup plus faibles sont également utilisées dans les industries suivantes : gaz, coke et sous-produits ; centrales électriques; produits chimiques; fours et cuisinières; ciment et chaux; céramique; verre; émaux et glaçures; locomotives et navires; réacteurs nucléaires; raffineries de pétrole; élimination des déchets (incinérateurs).

Les procédés de fabrication

Le type de réfractaire utilisé dans une application particulière dépend des exigences critiques du procédé. Par exemple, les processus qui exigent une résistance à la corrosion gazeuse ou liquide nécessitent une faible porosité, une résistance physique élevée et une résistance à l'abrasion. Les conditions qui exigent une faible conductivité thermique peuvent nécessiter des réfractaires entièrement différents. En effet, des combinaisons de plusieurs réfractaires sont généralement employées. Il n'y a pas de ligne de démarcation bien établie entre les matériaux qui sont et ceux qui ne sont pas réfractaires, bien que la capacité à résister à des températures supérieures à 1,100 XNUMX°C sans ramollir ait été citée comme une exigence pratique des matériaux réfractaires industriels.

Les objectifs techniques de fabrication d'un réfractaire donné sont incorporés dans ses propriétés et ses performances dans une application prévue. Les outils de fabrication consistent en des choix parmi les matières premières et parmi les méthodes et paramètres de transformation. Les exigences de fabrication concernent les caractéristiques de la composition de la phase et de la microstructure - collectivement appelées caractère du matériau - qui sont développées par le traitement et sont elles-mêmes responsables des propriétés et du comportement du produit.

Matières premières

Dans le passé, les matières premières réfractaires étaient sélectionnées parmi une variété de gisements disponibles et utilisées comme minéraux extraits. L'extraction sélective a produit des matériaux aux propriétés souhaitées, et ce n'est que dans le cas de matières premières coûteuses, telles que la magnésite, qu'un processus d'enrichissement était nécessaire. Aujourd'hui, cependant, les matières premières naturelles de haute pureté sont de plus en plus demandées, tout comme les grains réfractaires préparés synthétiquement fabriqués à partir de combinaisons de matières premières de haute pureté et enrichies. Le matériau produit lors de la cuisson de minéraux bruts extraits ou de mélanges synthétiques est appelé grain, clinker, co-clinker ou grog.

Les réfractaires sont généralement classés en quatre types : alumino-silicate, silice (ou acide), basique et divers.

Les matériaux généralement utilisés dans les quatre types de réfractaires comprennent :

1. Réfractaires aluminosilicates. Les argiles réfractaires se composent principalement du minéral kaolinite [CAS 1318-74-7] (Al₂0₃  2SiO₂ 2H₂O) avec de petites quantités d'autres minéraux argileux, quartzite, oxyde de fer, oxyde de titane et impuretés alcalines. Les argiles peuvent être utilisées à l'état brut ou après avoir été calcinées. Les argiles brutes peuvent être grossièrement calibrées ou finement broyées pour être incorporées dans un mélange réfractaire. Certains kaolins de haute pureté sont mis en suspension, classés, séchés et flottés à l'air pour obtenir une qualité constante et élevée. Les argiles classées peuvent également être mélangées et extrudées ou pastillées puis calcinées pour produire du grog kaolinitique synthétique brûlé, ou de la kaolinite brute grossièrement broyée peut être brûlée pour produire du grog. Lors de la calcination ou de la combustion, la kaolinite se décompose en mullite et en un verre siliceux incorporant des impuretés minérales associées au dépôt d'argile (par exemple, quartzite, oxyde de fer, oxyde de titane et alcalis) et est consolidée en grog granulaire dense et dur à haute température.
2. Réfractaires siliceux ou acides utilisent principalement de la silice sous forme de quartzite concassée et broyée (ganister) (92 à 98%), à laquelle est ajoutée une substance liante appropriée, telle que la chaux (CaO). Les briques de silice sont généralement chauffées deux fois car elles se dilatent lorsqu'elles sont chauffées (les briques en argile réfractaire rétrécissent), et il est souhaitable que l'expansion soit terminée avant la construction du mur ou du revêtement.
3. Réfractaires basiques utiliser de la dolomie, de la magnésite (MgO), de l'oxyde de chrome, du fer et de l'aluminium.
4. Réfractaires divers. Parmi la grande variété de matériaux actuellement utilisés, les plus courants sont les carbures tels que le carbure de silicium, le graphite, l'alumine, le béryllium, la thorine, l'oxyde d'uranium, l'amiante et l'oxyde de zirconium.

 

Plusieurs révolutions dans l'industrie se sont produites. Ces révolutions comprennent d'autres méthodes mécanisées de manipulation des solides de tonnage, des capacités accrues et l'automatisation de l'équipement de traitement et des techniques pour l'acquisition et l'analyse rapides des données de contrôle en cours de fabrication. Ces avancées ont transformé les pratiques de fabrication des réfractaires.

La figure 17 illustre comment différents types de réfractaires sont fabriqués. La figure est dessinée dans le style "arbre de décision" avec les branches divergentes numérotées pour l'identification. Il existe différentes filières, chacune fabriquant un type particulier de produit réfractaire.

Figure 17. Organigramme de fabrication des réfractaires

Ces diagrammes de flux génériques représentent des milliers de processus spécifiques, différenciés, par exemple, par leurs listes de matières premières, le mode de préparation et le dimensionnement et le dosage (c'est-à-dire la quantité pesée) de chacun, la séquence et le mode de mélange, etc. Les omissions sont autorisées - par exemple, certains réfractaires non formés sont mélangés à sec et ne sont jamais mouillés jusqu'à l'installation.

Les réfractaires ou produits peuvent être préformés (façonnés) ou formés et installés sur site, mais sont en général fournis sous les formes suivantes :

Brique. Les dimensions standards d'une brique réfractaire sont de 23 cm de long sur 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 formées peuvent être brûlées avant utilisation ou, dans le cas du brai, de la résine ou de la brique liée chimiquement (durcie).

Formes moulées par fusion. Les compositions réfractaires sont fondues à l'arc et moulées en formes (par exemple, des blocs de fondant de réservoir de verre aussi grands que 0.33, 0.66, 1.33 m). Après la coulée et le recuit, les blocs sont meulés avec précision pour assurer un ajustement précis.

Réfractaires coulés et moulés à la main. De grandes formes, telles que des blocs de brûleur et des blocs de flux, et des formes complexes, telles que des pièces d'alimentation en verre, des saggers et similaires, sont produites par des techniques de moulage en barbotine ou de ciment hydraulique ou de moulage à la main. Parce que ces techniques sont à forte intensité de main-d'œuvre, elles sont réservées aux articles qui ne peuvent pas être formés de manière satisfaisante par d'autres moyens.

Réfractaires isolants. Les réfractaires isolants sous forme de brique sont beaucoup plus légers que la brique classique de même composition grâce à la porosité de la brique.

Béton et mélanges de gunitage. Les bétons sont constitués de grains réfractaires auxquels un liant hydraulique est ajouté. Lors du mélange avec de l'eau, l'agent hydraulique réagit et lie la masse ensemble. Les mélanges de projection sont conçus pour être pulvérisés à travers une buse sous pression d'eau et d'air. Le mélange peut être réduit en bouillie avant d'être injecté dans le pistolet ou mélangé avec de l'eau au niveau de la buse.

Réfractaires plastiques et pisé. Les réfractaires plastiques sont des mélanges de grains réfractaires et d'argiles plastiques ou de plastifiants avec de l'eau. Les pisé peuvent ou non contenir de l'argile et sont généralement utilisés avec des coffrages. La quantité d'eau utilisée avec ces produits varie mais est maintenue au minimum.

Risques professionnels et précautions

Le tableau 5 fournit des informations sur bon nombre des dangers potentiels rencontrés dans ce secteur industriel.

Tableau 5. Dangers potentiels pour la santé et la sécurité lors de la fabrication de verre, de céramique et de matériaux connexes

 

Problèmes de sécurité et de santé et schémas pathologiques

Cette section donne un aperçu des problèmes de sécurité et de santé documentés ou suspectés à l'échelle de l'industrie. Les données internationales sur les blessures et les maladies dans ce secteur d'activité n'ont pas été trouvées dans les recherches documentaires et les recherches sur Internet (en 1997). Les informations compilées par le Département américain du travail, l'Occupational Safety and Health Administration (OSHA) et le Bureau of Labor Statistics (BLS) ont été utilisées pour identifier les risques courants sur le lieu de travail et pour décrire les caractéristiques des blessures et des maladies. Ces données doivent être représentatives de la situation mondiale.

Dangers détectés lors des inspections

Les inspections de conformité réglementaire des entreprises de fabrication de produits en pierre, argile, verre et béton (Classification industrielle standard (SIC) Code 32, équivalent au Code ISIC 36) révèlent certains des dangers courants dans ce secteur. Les citations de conformité réglementaire émises par l'OSHA indiquent que les problèmes courants de santé et de sécurité peuvent être regroupés comme suit :

• communication de danger des dangers physiques et sanitaires des substances chimiques sur le lieu de travail

• contrôle des énergies dangereuses—des procédures de verrouillage et d'étiquetage pour contrôler les activités autour des machines ou de l'équipement où une mise sous tension ou une libération imprévue de l'énergie stockée pourrait causer des blessures. L'énergie dangereuse comprend les sources électriques, mécaniques, hydrauliques, pneumatiques, chimiques, thermiques et autres.

• Sécurité électrique, y compris la conception de l'équipement ou du système électrique, les méthodes de câblage, les pratiques de travail sécuritaires et la formation

• permis d'entrée requis dans un espace confiné—procédures d'identification, d'évaluation et d'entrée en toute sécurité

• équipement de protection individuelle—évaluations, sélection et utilisation de la protection des yeux, du visage, des mains, des pieds et de la tête

• protection des machines, équipements et outils pour protéger les opérateurs et les travailleurs adjacents contre les dangers au point de fonctionnement, les points de pincement entrants et contre les pièces rotatives, les projections de copeaux ou les étincelles ; comprend les machines fixes, les machines portatives et les outils électriques portatifs, ainsi que le réglage des protections et des supports de travail sur les machines à meules abrasives (meuleuses) (voir figure 18)

 

Figure 18. La protection de la machine protège les opérateurs

• protection respiratoire—sélection, utilisation, entretien, formation, autorisation médicale et essai d'ajustement des respirateurs

• exposition professionnelle au bruit— contrôle des expositions par les techniques, l'administration ou la protection de l'ouïe et mise en œuvre de programmes de préservation de l'ouïe

• prévention des incendies et préparation et intervention en cas d'urgence, y compris les extincteurs, les issues de secours, les plans et le stockage ou l'utilisation de matériaux inflammables/combustibles

• surfaces de marche et de travail, y compris la protection des ouvertures et des trous dans les sols et les murs ; Entretien ménager; et garder les allées et les passages exempts de conditions qui présentent des risques de glissade, de trébuchement ou de chute (voir figure 19)

 

Figure 19. Dangers de trébuchement et de glissade

• camions industriels motorisés— conception, entretien, utilisation et autres exigences de sécurité pour les chariots élévateurs à fourche, les chariots à plate-forme, les tracteurs, les diables motorisés ou autres chariots industriels spécialisés alimentés par des moteurs électriques ou des moteurs à combustion interne

• échelles, escaliers et échafaudages fixes et portables— conception, inspection ou entretien et utilisation en toute sécurité

• protection contre les chutes—utilisation de dispositifs de retenue des chutes et d'équipements d'arrêt pour les travaux en hauteur

• découpe et soudure— utilisation et procédures sûres pour l'oxygène/acétylène ou le gaz combustible ou l'équipement de coupage ou de soudage à l'arc

• matériel de manutention— y compris ponts roulants et portiques, palans, chaînes et élingues

• contrôle de l'exposition aux substances toxiques ou dangereuses, y compris les contaminants atmosphériques ou les produits chimiques spécifiquement réglementés (par exemple, la silice, le plomb, l'amiante, le formaldéhyde, le cadmium ou l'arsenic).

 

Profil des blessures et des maladies

Taux d'incidence des maladies liées aux blessures

D'après les dossiers du Département du travail des États-Unis, les fabricants de produits en pierre, en argile et en verre (SIC 32) ont un taux d'incidence total « enregistrable » d'accidents du travail et de maladies professionnelles non mortels de 13.2 cas pour 100 travailleurs à temps plein par an. Ce taux d'incidence est supérieur aux taux correspondants pour l'ensemble de la fabrication (12.2) et l'ensemble de l'industrie privée (8.4). Environ 51 % des cas de « lésion enregistrable » dans le secteur de la fabrication de produits en pierre, argile et verre n'entraînent pas de jours de travail perdus (absence du travail).

Les taux d'incidence du « nombre total de jours de travail perdus » basés sur le nombre de blessures ou de maladies invalidantes entraînant l'absence d'un travailleur pendant 100 travailleurs à temps plein sont également disponibles auprès du Département du travail des États-Unis. Le taux d'incidence total des journées de travail perdues comprend les cas où des journées de travail sont perdues et le travailleur n'est pas capable d'effectuer l'ensemble de son travail (service restreint ou léger). Les fabricants de produits en pierre, en argile et en verre ont un taux d'incidence total de jours de travail perdus de 6.5 cas pour 100 travailleurs par an. Ce taux est supérieur aux taux correspondants pour l'ensemble de l'industrie manufacturière (5.5) et pour l'ensemble de l'industrie privée (3.8). Environ 93 % des journées de travail perdues dans le secteur de la fabrication de produits en pierre, en argile et en verre sont dues à des blessures plutôt qu'à des maladies professionnelles.

Le tableau 6 présente des informations plus détaillées sur les taux d'incidence des blessures et des maladies (combinés) ou des blessures (seules) pour divers types de procédés de fabrication dans le secteur de la fabrication de produits en pierre, en argile et en verre (code SIC 32). Les taux d'incidence et les données démographiques ne sont peut-être pas représentatifs des informations mondiales, mais il s'agit des informations les plus complètes disponibles.

 

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Tableau 6. Taux d'incidence des accidents du travail et des maladies professionnelles non mortels¹ pour 100 travailleurs à temps plein pour les entreprises américaines du code SIC 32, industrie privée et fabrication, 1994

 

nca = non classé ailleurs
- = données non disponibles

¹ Les taux d'incidence représentent le nombre de blessures et de maladies pour 100 travailleurs à temps plein et ont été calculés comme le nombre de blessures et de maladies divisé par les heures travaillées par tous les employés au cours de l'année civile multiplié par 200,000 100 (l'équivalent de base pour 40 travailleurs à 52 heures par semaine pendant XNUMX semaines par an).

² Manuel de classification industrielle standard, édition 1987.

³ L'emploi est exprimé en moyenne annuelle et provient principalement du programme national de statistiques sur l'emploi actuel du BLS.

⁴ Le nombre total de cas comprend les cas impliquant uniquement une activité de travail restreinte, en plus des jours d'absence du travail avec ou sans activité de travail restreinte.

⁵ Les cas de jours d'absence du travail incluent ceux qui résultent de jours d'absence du travail, avec ou sans activité professionnelle restreinte.

Source = Source : D'après une enquête nationale sur les accidents du travail et les maladies professionnelles dans le secteur privé réalisée par le Département du travail des États-Unis, Bureau of Labor Statistics.

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Démographie des cas de blessures et de maladies

Les travailleurs âgés de 25 à 44 ans représentaient environ 59 % des 23,203 45 cas d'accident ou de maladie avec interruption de travail dans le secteur américain de la fabrication de produits en pierre, en argile et en verre. Le deuxième groupe le plus touché était celui des travailleurs âgés de 54 à 18 ans, qui comptaient pour 20 % des cas d'accident ou de maladie avec arrêt de travail (voir figure XNUMX).

Figure 20. Accidents et maladies avec arrêt de travail par âge ; NOUS

Environ 85 % des cas de blessures et de maladies avec arrêt de travail dans le code SIC 32 étaient des hommes. Dans 24 % des cas avec interruption de travail (les deux sexes), les travailleurs avaient moins d'un an de service dans l'emploi. Les travailleurs ayant entre 1 et 1 ans d'ancienneté dans l'emploi représentaient 5 % des cas. Les employés expérimentés ayant plus de 32 ans de service représentaient 5 % des cas d'arrêt de travail.

Nature. L'analyse des profils d'incidents avec perte de temps caractérise la nature des blessures et des maladies invalidantes et aide à expliquer les facteurs causals ou contributifs. Les foulures et les entorses sont la principale cause de blessures et de maladies dans le secteur de la fabrication de produits en pierre, en argile et en verre. Comme le montre la figure 23, les foulures et les entorses représentent environ 42 % de tous les cas avec arrêt de travail. Les coupures et les perforations (10 %) étaient la deuxième nature la plus courante de blessure ou de maladie invalidante. Les autres principales catégories de blessures étaient les ecchymoses (9 %), les fractures (7 %) et les maux de dos/autres douleurs (5 %). Les brûlures par la chaleur, les brûlures chimiques et les amputations étaient moins courantes (1 % ou moins).

Figure 21. Accidents du travail et maladies professionnelles

Événements ou expositions. La figure 22 montre que le surmenage lors du levage entraîne tous les autres événements ou expositions à des blessures invalidantes. Un effort excessif lors du levage était un facteur causal dans environ 17% des cas invalidants; les mouvements répétitifs étaient l'exposition dans 5 % supplémentaires des cas invalidants. Frappé par un objet était le deuxième événement le plus courant, ce qui a conduit à 16% des cas. Les événements de heurt contre un objet ont causé 10% des cas. D'autres événements importants ont été pris dans un objet (9 %), chutes au même niveau (9 %), chutes à un niveau inférieur (6 %) et glissades/trébuchements sans chute (6 %). L'exposition à des substances nocives ou à l'environnement n'était un facteur causal que dans 5 % des cas.

Figure 22. Evénement ou exposition en lésions professionnelles

Partie du corps. La partie du corps la plus fréquemment touchée était le dos (24 % des cas) (voir figure 23). Des lésions des membres supérieurs (doigt, main, poignet et bras confondus) sont survenues dans 23 % des cas, avec des lésions du doigt dans 7 % des cas. Les lésions des membres inférieurs étaient similaires (22 % des cas), le genou étant touché dans 9 % des cas.

Figure 23. Partie du corps touchée par un accident avec arrêt de travail

Sources. Les sources les plus courantes de cas de blessures ou de maladies invalidantes étaient : les pièces et matériaux (20 %); position ou mouvement du travailleur (16 % ); sols, passerelles ou surfaces au sol (15 %) ; conteneurs (10%); machines (9%); véhicules (9%); outils à main (4%); meubles et agencements (2%); et produits chimiques et produits chimiques (2 %) (voir figure 24).

Figure 24. Sources des lésions professionnelles

Prévention et contrôle des maladies

Les traumatismes cumulatifs associés aux mouvements répétitifs, au surmenage et aux forces excessives sont une constatation courante dans ce secteur manufacturier. Des dispositifs robotiques sont disponibles dans certains cas, mais les pratiques de manipulation manuelle dominent toujours. Les compresseurs, les soufflantes, les essoreuses, les vibrateurs pneumatiques et les équipements d'emballage peuvent créer un bruit supérieur à 90 à 95 dBA. La protection auditive et un programme de conservation de l'ouïe saine empêcheront les changements permanents de l'ouïe.

Cette industrie consomme de grandes quantités de silice cristalline. Les expositions doivent être limitées pendant la manipulation, l'entretien et le nettoyage. Un bon entretien ménager avec un système d'aspiration approprié ou des méthodes de nettoyage humide réduira les expositions potentielles. Un dépistage périodique doit être effectué à l'aide de tests de la fonction pulmonaire et de radiographies pulmonaires en cas d'exposition excessive à la silice. Les expositions aux métaux lourds trouvés comme matières premières, vitrages ou pigments doivent également être minimisées. L'utilisation de substituts aux métaux lourds présents dans les émaux éliminera également les problèmes de santé liés à la lixiviation des métaux dans les aliments ou les boissons. De bonnes pratiques d'entretien ménager et une protection respiratoire sont utilisées pour prévenir les effets indésirables. Une surveillance médicale comprenant un suivi biologique peut être nécessaire.

L'utilisation de liants contenant du formaldéhyde, des époxydes et des silanes est courante dans la fabrication de fibres vitreuses. Des mesures doivent être prises pour minimiser l'irritation de la peau et des voies respiratoires. Le formaldéhyde est réglementé comme cancérogène dans de nombreux pays. Les fibres respirables sont produites lors de la fabrication, de la fabrication, de la coupe et de l'installation de produits en fibre de verre, de roche, de laitier et de céramique réfractaire. Bien que les expositions aux fibres en suspension dans l'air aient généralement été assez faibles (moins de 1 fibre par centimètre cube) pour la plupart de ces matériaux, les applications de soufflage en vrac ont tendance à être beaucoup plus élevées.

La roche, les scories et le verre sont parmi les produits d'isolation commerciaux les plus étudiés et utilisés aujourd'hui. Des études épidémiologiques ont révélé que le tabagisme a un impact majeur sur la mortalité par cancer du poumon chez les employés de fabrication. Des études transversales bien menées n'ont pas montré que les fibres produisent une mortalité ou une morbidité pulmonaire excessive. Des études récentes d'inhalation chronique chez le rat ont montré que la durabilité des fibres vitreuses est un déterminant critique du potentiel biologique de ces fibres. La composition, qui détermine la durabilité de ces fibres, peut varier considérablement. Pour éviter les problèmes de santé publique, un comité technique de la Commission européenne a récemment proposé que la bio-persistance des fibres vitreuses soit testée par inhalation à court terme. Une composition de laine isolante qui a été minutieusement testée à la dose maximale tolérée par inhalation chronique chez le rat et qui s'est avérée ne pas produire de maladie irréversible est suggérée comme fibre de référence.

Questions environnementales et de santé publique

Le principal polluant atmosphérique émis lors de la fabrication du verre, de la céramique, de la poterie et de la brique est la matière particulaire. Une technologie de contrôle maximale réalisable composée de filtres à manches et de précipitateurs électrostatiques humides est disponible pour réduire les émissions si nécessaire. Les polluants atmosphériques dangereux générés lors des processus de mélange, d'application et de durcissement du liant font l'objet d'un examen minutieux. Ces substances comprennent le styrène, les silanes et les époxydes utilisés sur les filaments de verre continus, ainsi que le formaldéhyde, le méthanol et le phénol utilisés lors de la production de roche, de laitier et de verre. Le formaldéhyde est le polluant atmosphérique dangereux qui dicte les normes de contrôle pour ces dernières lignes de fabrication. Les polluants atmosphériques dangereux de métaux lourds tels que le chrome dictent les normes des fours de fusion du verre alors que NON_x et donc_x demeurent problématiques dans certains pays. Les émissions de fluorure et de bore sont préoccupantes dans la production continue de filaments de verre. Le bore peut également devenir une préoccupation environnementale si des fibres de laine de verre vitreuse hautement solubles sont requises dans certains pays.

En raison du volume d'air rejeté élevé et de la nature du formage et de la fusion du verre, l'industrie évapore des quantités considérables d'eau. De nombreuses installations, comme par exemple aux États-Unis, n'ont aucun rejet d'eaux usées. Les eaux usées recyclées qui contiennent des matières organiques peuvent créer des risques biologiques sur le lieu de travail si un traitement n'est pas mis en œuvre pour empêcher la croissance biologique (voir figure 25). Les déchets générés par ce secteur industriel comprennent des métaux lourds, des corrosifs, certains liants et des solvants usés. L'industrie de la fibre de verre est devenue un point majeur pour le recyclage des bouteilles en verre et du verre plat. Par exemple, les produits actuels en laine de verre contiennent 30 à 60 % de verre recyclé. Les réfractaires usés sont également récupérés et réutilisés avantageusement.

Figure 25. Aérosols des eaux usées réutilisées

Remerciements: Remerciements particuliers à Dan Dimas, CSP, Libbey-Owens-Ford, pour les photographies, et à Michel Soubeyrand, Libbey-Owens-Ford, pour les informations sur le dépôt chimique en phase vapeur pour la section sur le verre.

 

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Les fibres optiques sont des brins de verre très fins conçus pour transmettre les rayons lumineux le long de leur axe. Diodes électroluminescentes (LED) or diodes laser convertir les signaux électriques en signaux optiques qui sont transmis à travers une âme cylindrique interne du câble à fibres optiques. Les propriétés de réfraction inférieures de la gaine externe permettent aux signaux lumineux de se propager par réflexion interne le long du noyau cylindrique interne. Les fibres optiques sont conçues et fabriquées pour se propager soit sous la forme d'un seul faisceau lumineux, soit sous la forme de plusieurs faisceaux lumineux transmis simultanément le long du noyau. (Voir figure 1.)

Figure 1. Fibres optiques monomodes et multimodes

La fibre monomode est principalement utilisée pour la téléphonie, les applications de télévision par câble et les dorsales de campus. La fibre multimode est couramment utilisée pour les communications de données et dans les réseaux locaux.

Fabrication de fibres optiques

Des matériaux et des processus spéciaux sont nécessaires pour fabriquer des fibres optiques qui répondent aux critères de conception de base : (1) un noyau avec un indice de réfraction élevé et une gaine avec un indice de réfraction faible, (2) une faible atténuation du signal ou une faible perte de puissance, et (3) une faible dispersion ou élargissement du faisceau lumineux.

Le verre de silice de haute pureté avec d'autres matériaux de verre (par exemple, les verres de fluorure de métaux lourds, les verres de chalcogénure) sont les principaux matériaux actuellement utilisés pour fabriquer des fibres optiques. Des matériaux polycristallins, des matériaux monocristallins, des guides d'ondes creux et des matériaux plastiques polymères sont également utilisés. Les matières premières doivent être relativement pures avec de très faibles concentrations de métaux de transition et de groupes formant des hydroxyles (inférieures au niveau des parties par milliard). Les méthodes de traitement doivent protéger le verre en formation des impuretés dans l'environnement de fabrication.

Les fibres optiques sont fabriquées en utilisant une préparation en phase vapeur non conventionnelle d'une préforme de verre qui est ensuite étirée en fibre. Les composés volatils de silice sont convertis en SiO₂ par hydrolyse à la flamme, dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou oxydation à haute température. D'autres dopants sont ensuite ajoutés au verre pour modifier les propriétés du verre. Les variations du processus de dépôt en phase vapeur commencent avec le même matériau mais diffèrent dans la méthode utilisée pour convertir ce matériau en silice.

L'une des méthodes de dépôt en phase vapeur suivantes est utilisée pour fabriquer des fibres optiques à base de silice : (1) dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD), (2) dépôt chimique en phase vapeur plasma (PCVD), (3) dépôt en phase vapeur extérieur (OVD), et (4) dépôt axial en phase vapeur (VAD) (voir figure 2). Tétrachlorure de silicium (SiCI₄), tétrachlorure de germanium (GeCI₄) ou d'autres halogénures liquides volatils se transforment en gaz lorsqu'ils sont légèrement chauffés en raison de leurs pressions de vapeur élevées. L'halogénure gazeux est envoyé dans une zone de réaction et converti en particules de verre (voir aussi le chapitre Microélectronique et semi-conducteurs.)

Figure 2. Organigramme de fabrication des fibres optiques

MCVD ainsi que PCVD les process. Un tube de silice fondue de haute qualité est fixé à un tour de travail du verre équipé d'une torche hydrogène/oxygène qui traverse sa longueur. Une alimentation en matériau halogénure est fixée à une extrémité du tube de verre et un épurateur à l'extrémité opposée pour éliminer l'excès de matériau halogénure. La surface du tube de verre est d'abord nettoyée par polissage au feu lorsque la torche traverse la longueur du tube. Divers réactifs sont ajoutés dans le système de vapeur en fonction du produit fabriqué. Une réaction chimique se produit lorsque les halogénures traversent la section du tube en cours de chauffage. Les halogénures se transforment en particules de « suie » de silice qui se déposent sur la paroi interne du tube de verre en aval de la torche. Les particules déposées sont frittées dans la couche de verre. Le processus PCVD est similaire au MCVD, sauf que les halogénures sont fournis par un système de barbotage et que des micro-ondes sont utilisées à la place d'une torche pour convertir le matériau halogénure en verre.

DVO et VAD les process. Dans la première étape du processus de fabrication des fibres, le core ainsi que revêtement les verres sont déposés en phase vapeur autour d'une tige cible rotative pour former une préforme de « suie ». Le matériau d'âme est déposé en premier, suivi de la gaine. L'ensemble de la préforme doit être extrêmement pur, car le noyau et la gaine sont déposés en phase vapeur. La géométrie des fibres est déterminée pendant la phase de pose de la fabrication. Une fois la tige cible retirée, la préforme est placée dans un four, où elle est consolidée en un verre solide et transparent et le trou central est fermé. Le gaz est passé à travers la préforme pour éliminer l'humidité résiduelle qui affecte négativement l'atténuation de la fibre (perte de signal optique lorsque la lumière se transmet le long de l'axe de la fibre). Les préformes sont ensuite lavées avec de l'acide fluorhydrique pour garantir la pureté du verre et éliminer les contaminants.

La préforme de verre consolidée est placée dans une tour d'étirage pour former un brin continu de fibre de verre. La préforme est d'abord chargée dans le haut d'un four d'étirage. Ensuite, la pointe de la préforme est chauffée et un morceau de verre fondu commence à tomber. Au fur et à mesure que cette pièce est tirée (tirée), elle passe à travers un moniteur de diamètre en ligne pour s'assurer que la fibre respecte un diamètre spécifié exact (généralement mesuré en microns.) Le diamètre de la gaine de la fibre doit être conforme aux spécifications exactes afin de maintenir la perte de signal aux connexions faible . Le diamètre de la gaine extérieure est utilisé comme guide pour aligner les cœurs de fibre lors de l'utilisation finale. Les noyaux doivent s'aligner pour que le transfert de lumière se produise efficacement.

Un polymère d'acrylate ou d'autres revêtements sont appliqués et durcis avec des lampes ultraviolettes. Les revêtements sont destinés à protéger la fibre optique de l'environnement lors de son utilisation finale. Les fibres optiques sont testées pour assurer la conformité aux normes de fabrication en matière de résistance, d'atténuation et de géométrie. Des longueurs spécifiques de fibre sont enroulées sur des bobines selon les spécifications du client.

Un certain nombre de dangers potentiels sont rencontrés lors de la fabrication des fibres optiques. Ceux-ci comprennent : (1) l'exposition à l'acide fluorhydrique (lors du nettoyage des préformes en verre), (2) l'énergie rayonnante et le stress thermique associés aux environnements de travail à proximité des tours et des processus de dépôt en phase vapeur, (3) le contact direct avec des surfaces chaudes ou des matériaux en fusion (préformes en verre ), (4) exposition à des revêtements de polymère d'acrylate (sensibilisants cutanés), (5) perforations et lacérations cutanées lors de la manipulation des fibres et (6) divers risques physiques décrits précédemment.

 

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