Aujourd’hui, de nombreux processus de production seraient impensables sans l’utilisation d’additifs de transformation. Ceux-ci sont ajoutés à la fois pour améliorer la qualité et réduire les coûts énergétiques – cela ouvre également des applications potentielles intéressantes pour les fabrications de produits en terre cuite
1 Utilisation d'additifs dans l'industrie de la terre cuite
Le secteur de la terre cuite est actuellement confronté à de nombreux défis. La disponibilité limitée de composants de matières premières naturelles entraîne des hausses de prix qui, dans le pire des cas, peuvent menacer la poursuite de la production. De plus, les variations dans la composition des matières premières peuvent entraîner des problèmes de production ainsi qu’une moindre qualité des produits. Indépendamment de cela, la consommation généralement élevée d’eau et d’énergie représente un facteur de coût important. La hausse des coûts de l’énergie met donc en danger la rentabilité de la production et fait grimper les prix des produits finis.
Les additifs de procédé offrent une solution aux défis décrits ci-dessus. Grâce à leur utilisation, il est possible de remplacer certains composants naturels des matières premières afin de réduire les coûts et de garantir une qualité élevée et constante des produits. De plus, ils peuvent contribuer à économiser de l’eau et, par conséquent, de l’énergie, rendant ainsi la production plus rentable.
Dans ce qui suit, en référence à deux études de cas, nous montrons comment des additifs peuvent être utilisés dans le processus de production pour économiser de l'eau et de l'énergie et en même temps pour améliorer la qualité et remplacer les composants naturels des matières premières. Un exemple de calcul sur la base de chiffres concrets montre également quelles économies d'énergie et de CO2 sont possibles grâce à la réduction de la consommation d'eau.
Travaux préparatoires chez Zschimmer & Schwarz
L'entreprise chimique Zschimmer & Schwarz est partenaire de l'industrie céramique depuis plus de 50 ans et produit, entre autres, des additifs pour l'optimisation de divers processus de production. Avec sa gamme de produits CLAYFORM, l'entreprise familiale propose aux fabricants d'additifs céramiques à base d'argile lourde pour répondre à de nombreuses exigences. » La figure 1 montre un aperçu des additifs disponibles pour les pâtes céramiques à base d'argile lourde et de leur mode d'action respectif.
La recommandation d'un additif est toujours donnée en référence au corps céramique spécifique et au processus de production. Dans ce contexte, Zschimmer & Schwarz soutient ses clients en effectuant dans un premier temps des tests préliminaires dans son propre laboratoire et en les aidant ensuite à mettre en œuvre les additifs dans leurs opérations. Dans un premier temps, en concertation avec les clients, les exigences sont discutées pour définir les conditions générales d'un projet. Le corps céramique à utiliser, le processus de production, la sélection potentielle des additifs à utiliser et l'objectif du projet sont définis.
Outre le corps en céramique, pour les tests en laboratoire, un corps de référence est nécessaire, sur la base duquel la valeur Pfefferkorn, la teneur en humidité, les propriétés d'extrusion et, en fonction de l'application, d'autres paramètres, tels que le retrait ou la résistance à la flexion à sec, peuvent être déterminés. . La procédure décrite ci-après est un processus standard qui est toujours adapté aux exigences individuelles du client.
2 Application en pratique
Pour démontrer les possibilités d’utilisation d’additifs non seulement à l’échelle du laboratoire mais aussi de manière plus pratique en production, deux études de cas sont présentées ci-dessous.
La première étude de cas concerne l'optimisation des processus dans le but d'économiser de l'énergie et d'optimiser les produits chez ABC-Klinkergruppe. Le groupe de fabrication de briques a été confronté au problème de la formation de fissures dans une masse cuite à blanc en raison d'une sensibilité accrue au séchage. Le groupe exigeait une réduction des fissures et souhaitait en même temps vérifier les économies d'énergie potentielles dans le processus de production.
L'entreprise Tonality a quant à elle testé s'il était possible de remplacer la bentonite, un composant naturel de la matière première, par un additif de procédé.
Dans les deux cas, Zschimmer & Schwarz a procédé comme suit :
- Le corps humide a été séché et broyé dans un concasseur à mâchoires et un broyeur à batteurs croisés.
- Un corps en plastique a été préparé dans un pétrin duplex avec ajout d'un additif : le temps et la température de pétrissage ont été adaptés au corps et à l'objectif d'application.
- Mise en forme dans une extrudeuse à piston avec enregistrement de la pression d'extrusion pour caractériser le degré d'efficacité de l'additif
- Séchage dans une armoire de séchage
- Cuisson dans un four de laboratoire électrique
2.1 Test sur le terrain chez ABC-Klinkergruppe
En tant qu'entreprise familiale dirigée par son propriétaire dans le secteur de la brique et du carrelage, ABC-Klinkergruppe produit des briques de parement, des pavés en terre cuite, des tuiles, des tuiles de façade en céramique et des plaquettes de parement sur six sites de production. La gamme de produits de l’entreprise est basée sur l’un des matériaux de construction naturels les plus anciens : l’argile. Pour traiter cette ressource naturelle, l'ajout d'eau est indispensable avant que le produit vert ne devienne céramique par cuisson. L'eau agit comme un lubrifiant qui plastifie l'argile, permettant ainsi de travailler l'argile en premier lieu. La teneur en humidité du corps à traiter est d'environ 16 % après extrusion. Avant la cuisson, le produit façonné est séché dans un tunnel de séchage. Peu avant d'entrer dans le four, le corps vert présente une humidité résiduelle de 0,5 à 1,0 %. C'est là que réside le grand risque de défauts car le séchage doit être très régulier et lent et adapté au type d'argile. En cas d’irrégularités, des fissures de séchage peuvent se former, partant des bords et couvrant de grandes surfaces de la brique – un défaut indésirable et irréversible. De plus, le processus de séchage est très gourmand en énergie.
La question de la durabilité dans la production de céramique fait actuellement, à juste titre, l’objet d’intenses discussions. ABC-Klinkergruppe vise donc également une réduction de la consommation d'énergie dans la production de ses produits, une utilisation prudente et efficace des ressources et une consommation de matériaux minimisée, sans nuire à la qualité de ses produits. L'objectif spécifique des tests pour ABC-Klinkergruppe était d'optimiser la production de briques de clinker et de briques de parement.
Pour le test, des auxiliaires de processus sur différentes bases chimiques ont d'abord été testés. Généralement, les substances actives suivantes sont testées pour déterminer la meilleure combinaison avec l'organisme utilisé : préparations d'acide carboxylique, de silicate/polycarbonate, de silicate/phosphate, de polysaccharide et d'humate. Lors de cette présélection, il est également déterminé si l'additif doit être utilisé ultérieurement sous forme de poudre ou de produit liquide.
Une amélioration des propriétés d'écoulement de la colonne extrudée a pu être constatée sur la base du fait que moins de fils de harpe coupants étaient déchirés et que la production devait donc être moins interrompue que d'habitude. Cela a permis d'économiser du matériel et du temps.
2.2 Test sur le terrain ches Tonality
Sur son site de la région allemande du Westerwald, Tonality GmbH produit des façades en céramique de haute qualité pour des applications extérieures et intérieures. Ceux-ci sont fabriqués à partir d’argiles de haute pureté et de première qualité extraites localement. Dans la production de briques et de carreaux en céramique, la bentonite est utilisée comme matière première naturelle. Non seulement la bentonite est de plus en plus chère à l’achat, mais sa composition varie considérablement en raison de son origine naturelle. L'objectif du test réalisé chez Tonalité était de remplacer la bentonite comme matière première dans la production par des additifs chimiques.
Pour le test, trois corps ont été comparés entre eux. Zschimmer & Schwarz a d’abord testé le comportement des corps avec et sans bentonite. Dans un deuxième temps, des additifs ayant différents modes d'action ont été testés, par ex. comportement mouillant ou propriétés gonflantes ou défloculantes. Après cette présélection des additifs, Philip Kaiser, étudiant en activité chez Tonalité, a été chargé d'une analyse plus approfondie.
Les additifs utilisés étaient l'agent mouillant et plastifiant CLAYFORM 193 et le liant temporaire CLAYFORM B 112. Le CLAYFORM P 193 a été ajouté pour obtenir des propriétés plastiques et réduire l'eau de gâchage. Le liant provisoire CLAYFORM B 112 a été utilisé pour améliorer la résistance à la flexion à sec. Une autre série de tests a été réalisée avec l'additif CLAYFORM B 15.
Tout d’abord, la plasticité a été déterminée lors d’un test de Pfefferkorn. Les corps ont été mélangés dans un mélangeur Eirich selon les spécifications opérationnelles. Après mélange à sec des matières premières, les additifs ont été ajoutés avec l'eau de gâchage et le corps a été mélangé par voie humide. Des éprouvettes provenant de différentes étapes de déshydratation ont été préparées et séchées. Dans la » Fig. 6, les résultats de la mesure de plasticité de Pfefferkorn sont affichés.
3 Exemple de calcul des économies possibles en réduisant la teneur en eau
Le calcul simplifié suivant montre clairement, à titre d'exemple, à quel point les économies potentielles peuvent être élevées. En général, on peut s'attendre à ce que l'économie d'eau potentielle se situe entre 1 % et 3 %.
3.1 Économie d'énergie
L'exemple suivant est basé sur une économie de 1 %, ce qui simplifie une éventuelle extrapolation.
Calcul typique pour les économies d'électricité
L'utilisation d'additifs et par conséquent une consommation d'eau inférieure de 1 % réduisent également la consommation électrique par unité de machine de 10 kW, de sorte qu'un total de 30 kW peut être économisé :
- Alimentateur à tamis circulaire -10 kW
- Mélangeur à double arbre -10 kW
- Extrudeuse -10 kW
- Économie de -30 kW
Sur la base d'un temps de travail supposé de 9 heures par jour et de 22 jours ouvrables par mois, 5 940 kWh peuvent être économisés par mois et 71 280 kWh d'énergie sont économisés par an.
22 jours ouvrés/mois * 9 h/jour ouvré = 198 h/mois
198 h/mois * 30 kW = 5 940 kWh/mois ≙ 71 280 kWh/an
Exemple de calcul pour économiser l'énergie de séchage
Pour une économie de 1 % d’eau et une charge supposée de wagon de four tunnel de 19 tonnes de matière, on obtient une économie de 190 kg d’eau par wagon de four :
19 000 kg/wagon de four * 1 % = 190 kg/wagon de four
Pour une production de 12 wagons de four par jour, 2 280 kg d'eau pourraient donc être économisés quotidiennement :
12 wagons/jour * 190 kg/wagon = 2 280 kg/jour
L'enthalpie spécifique d'évaporation pour 1 kg d'eau est de 2 257 kJ. Pour une économie quotidienne de 2 280 kg d’eau, une économie de 5 145 960 kJ par jour serait alors possible. Converti en kilowattheures (1 kJ = 0,00027778 kWh)[1], cela correspond à une économie journalière de 1 429,43 kWh :
2 280 kg/jour * 2 257 kJ/kg = 5 145 960 kJ/jour
= 1 429,43 kWh/jour
Pour 30 jours de cuisson dans le mois, il en résulte une économie mensuelle de 42 882,9 kWh, donc une économie totale annualisée de 514 594,8 kWh est possible :
30 jours/mois * 1 429,43 kWh/jour = 42 882,9 kWh/mois
≙ 514 594,8 kWh/an
Économie d'énergie mensuelle totale
Sur la base des valeurs calculées ci-dessus, l’économie d’énergie mensuelle totale peut être calculée comme suit :
Économie d'électricité + Économie d'énergie de séchage = Économie totale
5 940 kWh/mois + 42 882,9 kWh/mois
= 48 822,9 kWh/mois ≙ 585 874,8 kWh/an
Si 1 % d'eau est économisé grâce à l'utilisation d'additifs, il est possible d'économiser 48 822,9 kWh d'énergie en un mois et donc de réduire la consommation annuelle totale à 585 874,8 kWh.
3.2 Calcul de l'équivalence CO2
Ci-après, le calcul de l'économie de carbone est présenté à titre d'exemple
Exemple de consommation d'électricité
Le calcul de l'économie de CO2 est basé sur le facteur d'émission de dioxyde de carbone du mix électrique allemand, qui est de 0,485 kg de CO2/kWh.[2] Si l’économie d’électricité mensuelle calculée ci-dessus de 5 940 kWh est convertie en CO2, on obtient une économie mensuelle de 2 880,9 kg de CO2 et donc une économie annuelle possible de 34 570,8 kg de CO2 :
5 940 kWh/mois * 0,485 kg CO2/kWh = 2 880,9 kg CO2/mois
≙ 34 570,8 kg CO2/an
Exemple d'énergie de séchage
Nous supposons l'utilisation d'énergie de séchage à partir du gaz naturel. Le facteur dioxyde de carbone du gaz naturel est de 0,2 kg/kWh. Il en résulte une économie de 8 576,58 kg d'émissions de CO2 par mois, cela correspond à une économie annuelle de 102 918,96 kg de CO2 :
42 882,9 kWh/mois * 0,2 kg CO2/kWh = 8 576,58 kg CO2/mois
≙ 102 918,96 kg CO2/an
Économie mensuelle totale de CO2
L’économie mensuelle totale de CO2, somme de la demande énergétique réduite, s’élève à 11 457,48 kg, ce qui correspond à environ 11,5 t :
mCO2 (électricité nécessaire) + mCO2 (énergie de séchage) = mCO2 (total)
2 880,9 kg CO2/mois + 8 576,58 kg CO2/mois
= 11 457,48 kg CO2/mois
Par an, pour une pleine production, une économie potentielle d’environ 137,5 t CO2 sera possible :
11 457,48 kg CO2/mois * 12 mois = 137 489,76 kg CO2 /an
3.3 Aspects complémentaires : conservation des ressources
La pompe à eau débite 2,2 m³ d'eau par jour. Multiplié par 30 jours de cuisson, 66 m³ d'eau en moins par mois seraient consommés ; en termes annualisés, cela signifie que 792 000 l d'eau pourraient être économisés de cette manière
4. Conclusion
En conclusion, on peut dire que l’utilisation d’additifs de transformation dans les céramiques à base d’argile lourde apporte de nombreux avantages. Lors du test sur le terrain chez ABC-Klinkergruppe, les objectifs définis – économie de ressources et réduction des fissures de séchage – ont pu être atteints avec succès grâce à l'utilisation de l'additif CLAYFORM V 67. Cette amélioration est liée à la réduction de la consommation électrique et de la pression et à la réduction de la température de la colonne extrudée. Avec l'ajout de CLAYFORM V 67, une partie de l'eau ajoutée peut être économisée. Ainsi, il est non seulement possible d'économiser de l'énergie lors du processus de séchage, mais celui-ci est également simplifié, de sorte qu'il se forme moins de fissures de séchage, tout en économisant des ressources. De plus, le nombre de produits dans la catégorie « premium grade » pourrait être augmenté – plusieurs paramètres importants qui favorisent l’utilisation de l’additif.
L'essai sur le terrain chez Tonalité a montré que la bentonite peut être remplacée par des additifs dosés, car ceux-ci atteignent la résistance à la flexion à sec nécessaire avec un écart type plus faible. De plus, l'eau de gâchage nécessaire peut être réduite grâce à l'ajout de CLAYFORM P 193. Par conséquent, on peut s'attendre non seulement à une réduction des coûts avec des propriétés de matériau constantes, mais aussi à moins de casse et donc moins de rebuts. De plus, les propriétés du produit fini ne sont pas influencées par l'introduction de l'additif.
Un exemple de calcul des économies d'énergie et de CO2 basé sur la réduction de la teneur en eau montre clairement le potentiel des additifs de procédé en matière d'économies de coûts dans la production de céramiques à base d'argile lourde. Les effets secondaires positifs tels que la réduction de l'usure des machines, des rejets de produits, de la consommation de matières premières et des temps d'arrêt des installations complètent très favorablement le tableau. En principe, il faut veiller à ce que le dosage d'un additif soit toujours évalué en termes de rentabilité.
Les coûts de cuisson restent un facteur de coût crucial dans la production de céramiques à base d'argile lourde – un paramètre qui pourrait être ajusté par l'introduction d'additifs appropriés.
