Produits industriels (partie 3/4)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire les étapes de la fusion et de la préparation du mélange vitrifiable (Leçon 6). - Expliquer la décomposition des matières premières et l’affinage du verre (Leçon 7). - Réaliser la fabrication du verre creux en respectant les procédés, les normes de qualité et les règles de sécurité (Leçon 8). - Effectuer un calcul de dosage des matières premières pour obtenir une composition verre donnée. - Identifier les principales sources de défauts et appliquer les mesures correctives en atelier. **Prérequis** : - Notions de chimie générale (oxydes, réactions d’oxydo‑réduction, solubilités). - Connaissances de base en physique thermique (chaleur spécifique, transfert de chaleur). - Lecture de schémas de procédés industriels et interprétation de fiches de données de sécurité (FDS). - Utilisation d’instruments de mesure de température (thermocouples, pyromètres) et de balance analytique. --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, l’industrie du verre participe à la fabrication de contenants pour les boissons, les produits pharmaceutiques et le bâtiment. Les unités de production se trouvent principalement à Douala et Yaoundé, où elles transforment des matières premières locales (sable siliceux, calcaires, feldspaths) et des additifs importés (soude, plomb, bore) en verre plat ou creux. Maîtriser la chaîne de fabrication, de la fusion du batch jusqu’au façonnage du verre creux, permet d’assurer la qualité du produit, de limiter les pertes énergétiques et de garantir la sécurité des opérateurs. Ce chapitre s’inscrit dans la compétence « Réaliser un procédé de transformation des matières minérales » du référentiel MINESEC/IGE, série F6. --- ## I. Leçon 6 – Fusion et préparation du mélange vitrifiable ### 1. Définition du batch (mélange vitrifiable) Le **batch** est le mélange homogène de matières premières destiné à être fondu en verre. Il comprend : - **Former** (sable SiO₂, généralement 70 % – 75 % du poids total). - **Flux** (soude Na₂O, potasse K₂O, généralement 12 % – 15 %). - **Stabilisant** (chaux CaO, généralement 8 % – 12 %). - **Modificateurs de propriétés** (oxyde de plomb PbO, bore B₂O₃, alumine Al₂O₃, colorants, agents de clarification). > **>** Le batch doit être **sans humidité** (taux d’humidité < 0,1 %) pour éviter les explosions de vapeur lors de la fusion. ### 2. Préparation du batch 1. **Pesée** : chaque composant est pesé avec une précision de ±0,1 g sur une balance analytique. 2. **Broyage** : les matières premières sont broyées à une granulométrie < 90 µm afin d’assurer une réaction homogène. 3. **Mélange** : le batch est introduit dans un malaxeur à double arbre (type « Ribbon ») pendant 10‑15 min à vitesse lente, puis rapide pour garantir l’uniformité. 4. **Stockage** : le batch est conservé dans des silos étanches, à l’abri de l’humidité, avant alimentation du four. ### 3. Principe de la fusion La fusion se déroule dans un four à régénération (type « tank furnace ») fonctionnant entre 1400 °C et 1550 °C. Les réactions principales sont : - **Décomposition des carbonates** (ex. CaCO₃ → CaO + CO₂↑) à ~ 900 °C. - **Formation du réseau silicate** : SiO₂ + Na₂O → Na₂SiO₃ (silicate de soude) puis polymérisation en réseau Si–O–Si. - **Élimination des gaz** : CO₂, SO₂, H₂O sont évacués par la cheminée du four. > **>** La température de fusion optimale pour un verre sodocalcique est comprise entre **1450 °C et 1550 °C**. ### 4. Exemple chiffré de dosage On souhaite obtenir 100 kg de verre sodocalcique de composition théorique : 70 % SiO₂, 15 % Na₂O, 10 % CaO, 5 % autres (Al₂O₃, colorants). | Composant | Masse souhaitée (kg) | Facteur de conversion (oxide → matière première) | Masse à peser (kg) | |-----------|----------------------|---------------------------------------------------|--------------------| | SiO₂ (sable) | 70,0 | 1,00 (déjà oxide) | 70,0 | | Na₂O (soude) | 15,0 | Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂ ; M(Na₂CO₃)=106,0 ; M(Na₂O)=62,0 → facteur = 106/62 = 1,71 | 15,0 × 1,71 = 25,65 | | CaO (chaux) | 10,0 | CaCO₃ → CaO + CO₂ ; M(CaCO₃)=100,1 ; M(CaO)=56,1 → facteur = 100,1/56,1 = 1,78 | 10,0 × 1,78 = 17,80 | | Al₂O₃ (alumine) | 3,0 | Al₂O₃ déjà oxide | 3,00 | | Colorant (Fe₂O₃) | 2,0 | Fe₂O₃ déjà oxide | 2,00 | | **Total** | 100,0 | — | **118,45 kg** | Le batch à préparer pèse donc **118,45 kg** pour produire 100 kg de verre après perte de CO₂ (≈ 18 % de perte massique). > **>** Le facteur de conversion permet de passer de l’oxide désiré à la matière première carbonate ou hydroxide à peser. ### 5. Normes et sécurité - **ISO 9001** : suivi de la traçabilité du batch. - **NF EN 12899-1** : exigences de composition pour verres d’emballage. - **Équipement de protection individuelle (EPI)** : lunettes anti‑projection, gants résistants à la chaleur, masque anti‑poussière (P2). - **Ventilation** : extraction locale des fumées de carbonate (CO₂) et de particules siliceuses. --- ## II. Leçon 7 – Décomposition des matières premières et affinage du verre ### 1. Décomposition thermique des matières premières Lors de la montée en température du batch, chaque composé subit une décomposition caractéristique : | Matière première | Réaction de décomposition | Température d’apparition (°C) | Gaz libéré | |------------------|---------------------------|------------------------------|------------| | CaCO₃ (chaux) | CaCO₃ → CaO + CO₂↑ | 800‑900 | CO₂ | | Na₂CO₃ (soude) | Na₂CO₃ → Na₂O + CO₂↑ | 850‑950 | CO₂ | | Feldspath (K,Na)AlSi₃O₈ | (K,Na)AlSi₃O₈ → K₂O/Na₂O + Al₂O₃ + SiO₂ | 900‑1000 | — | | B₂O₃·10H₂O (borax) | B₂O₃·10H₂O → B₂O₃ + 10 H₂O↑ | 150‑200 | H₂O | | PbO (litharge) | PbO (stable) – pas de décomposition | – | – | > **>** La libération de CO₂ et H₂O crée une pression interne qui doit être évacuée par la cheminée du four afin d’éviter des fissures ou des explosions. ### 2. Homogénéisation et élimination des bulles (affinage) Après la fusion, le verre fondu contient encore des bulles de gaz et des inhomogénéités de composition. L’affinage se fait en deux étapes : 1. **Refroidissement contrôlé (soaking)** : maintien du verre à 1300 °C‑1350 °C pendant 30‑60 min pour permettre la montée en taille des bulles par diffusion du gaz vers la surface. 2. **Clarification** : ajout d’agents de clarification (sulfate de sodium Na₂SO₄, antimony oxide Sb₂O₃, ou arsenic oxide As₂O₃) qui réagissent avec les gaz dissous pour former des espèces moins solubles qui remontent à la surface. > **>** Un bon affinage réduit la teneur en bulles à moins de **0,5 bulle / cm³** (norme NF EN 12899‑2). ### 3. Mesure de la qualité du verre fondu - **Viscosité** : mesurée par un viscosimètre à rotation à **1000 °C** ; valeur cible pour le façonnage : 10²‑10³ Pa·s. - **Indice de réfraction** : mesuré à 589 nm ; doit être dans la plage 1,50‑1,55 pour verre sodocalcique. - **Absorption UV‑Vis** : contrôle de la présence de métaux de transition (Fe, Cr) qui colorent le verre. ### 4. Exemple de calcul de temps d’affinage On considère que la vitesse de montée d’une bulle de rayon r dans un liquide visqueux suit la loi de Stokes : \[ v = \frac{2}{9}\frac{(\rho_{gaz}-\rho_{verre}) g r^{2}}{\eta} \] où : - \(\rho_{gaz}\) ≈ 0,3 kg m⁻³ (CO₂ à 1400 °C, pression 1 atm) - \(\rho_{verre}\) ≈ 2 500 kg m⁻³ - \(g\) = 9,81 m s⁻² - \(\eta\) = 200 Pa·s (viscosité à 1350 °C) - \(r\) = 50 µm = 5×10⁻⁵ m Calcul : \[ v = \frac{2}{9}\frac{(0,3-2500) \times 9,81 \times (5\times10^{-5})^{2}}{200} \approx \frac{2}{9}\frac{(-2499,7) \times 9,81 \times 2,5\times10^{-9}}{200} \] Le terme \((\rho_{gaz}-\rho_{verre})\) est négatif, donc la bulle monte (valeur absolue) : \[ |v| \approx \frac{2}{9}\frac{2,5\times10^{3} \times 9,81 \times 2,5\times10^{-9}}{200} \approx \frac{2}{9}\frac{6,13\times10^{-5}}{200} \approx \frac{2}{9}\times3,07\times10^{-7} \approx 6,8\times10^{-8}\ \text{m s}^{-1} \] Pour parcourir une hauteur de verre fondu de 0,30 m (épaisseur du bain) : \[ t = \frac{h}{|v|} = \frac{0,30}{6,8\times10^{-8}} \approx 4,4\times10^{6}\ \text{s} \approx 1220\ \text{h} \] Ce temps théorique montre que la montée naturelle est négligeable ; l’affinage repose donc sur l’agitation mécanique (coulée, convection) et l’ajout d’agents de clarification qui réduisent la tension superficielle et facilitent l’émergence des bulles. > **>** En pratique, un temps d’affinage de **30‑45 min** à 1350 °C avec agitation suffit pour atteindre la qualité requise. ### 5. Normes et sécurité - **ISO 14001** : gestion des émissions de CO₂ et de particules lors de la décomposition. - **Équipement** : lunettes de protection contre les projections de verre fondu, tablier en aluminisé, détecteur de monoxyde de carbone (CO) dans l’atelier. - **Procédure d’arrêt d’urgence** : fermeture des vannes de gaz, activation du système d’extinction à poudre sèche. --- ## III. Leçon 8 – Fabrication du verre creux ### 1. Principes de formage du verre creux Le verre creux (bouteilles, flacons, bocaux) est obtenu principalement par deux procédés : - **Procédé « blow‑and‑blow »** (soufflage puis soufflage) pour les pièces à paroi épaisse. - **Procédé « press‑and‑blow »** (pressage puis soufflage) pour les pièces à paroi fine et géométrie complexe. Les étapes communes sont : 1. **Coulée du gob** : une quantité précise de verre fondu (gob) est prélevée du four par une tasse réfractaire et déposée dans un moule préliminaire (parison). 2. **Formage du parison** : le gob est comprimé par un piston ou soufflé avec de l’air comprimé pour obtenir une préforme (parison) de forme approximative. 3. **Refroidissement (annealing)** : le parison est transféré dans une fosse de refroidissement où il subit un gradient de température contrôlé (de ~ 900 °C à ~ 500 °C) pour relâcher les contraintes internes. 4. **Rechauffage et soufflage final** : le parison est réchauffé à ~ 800 °C‑850 °C, puis soufflé dans le moule final pour obtenir la forme définitive. 5. **Refroidissement final (lehr)** : passage dans un four de recuit (lehr) où la température est descendue lentement de ~ 560 °C à ambiant sur 1‑2 h afin d’éviter la casse thermique. > **>** Le **point de transition vitreuse (Tg)** du verre sodocalcique est d’environ **560 °C** ; en dessous de cette température, le verre se comporte comme un solide fragile. ### 2. Équipements utilisés en atelier camerounais - **Four de fusion** : cuve en réfractaire aluminosilicate, chauffée par brûleurs au gaz naturel ou au fuel. - **Tasse à gob** : dispositif en graphite ou en molybdène résistant à la chaleur, permettant de prélever 100‑300 g de verre. - **Moules en fonte** : revêtement interne de céramique ou de carbone pour éviter l’adhérence du verre. - **Soufflantes d’air** : compresseurs capables de fournir 0,5‑0,8 MPa d’air sec et filtré. - **Lehr (four de recuit)** : tunnel chauffé électriquement, avec zones de température programmables. ### 3. Contrôle de la qualité du verre creux - **Épaisseur de paroi** : mesurée par ultrasons ; tolérance ± 0,2 mm pour bouteilles de 33 cl. - **Résistance au choc thermique** : test selon ASTM C149 (changement de température de 80 °C à 20 °C en 10 s). - **Étanchéité** : test de pression interne (0,5 bar) pendant 5 min sans fuite. - **Aspect extérieur** : absence de bulles, de stries, de défauts de surface (rayures, marques de moule). > **>** Un défaut de surface supérieur à **0,1 mm** de profondeur est considéré comme non conforme pour les emballages alimentaires. ### 4. Exemple de dimensionnement d’un gob On souhaite produire une bouteille de 500 ml, épaisseur moyenne de paroi 3 mm, hauteur 200 mm, diamètre extérieur 70 mm. Volume de verre nécessaire : \[ V_{verre} = \pi \left[\left(\frac{D_{ext}}{2}\right)^{2} - \left(\frac{D_{int}}{2}\right)^{2}\right] \times h \] où \(D_{int} = D_{ext} - 2e = 70 - 2\times3 = 64\) mm. \[ V_{verre} = \pi \left[\left(\frac{70}{2}\right)^{2} - \left(\frac{64}{2}\right)^{2}\right] \times 200 = \pi \left[35^{2} - 32^{2}\right] \times 200 = \pi \left[1225 - 1024\right] \times 200 = \pi \times 201 \times 200 \approx 3,1416 \times 40\,200 \approx 126\,300\ \text{mm}^{3} \] Convertir en cm³ : \(126,3\ \text{cm}^{3}\). Masse de verre (densité ≈ 2,5 g cm⁻³) : \[ m = 126,3 \times 2,5 \approx 315,8\ \text{g} \] On ajoute généralement 5 % de surplus pour compenser les pertes lors du transfert : \[ m_{gob} = 315,8 \times 1,05 \approx 332\ \text{g} \] > **>** Un gob de **≈ 330 g** de verre sodocalcique est donc prélevé pour fabriquer une bouteille de 500 ml de 3 mm d’épaisseur. ### 5. Normes, hygiène et sécurité - **ISO 22000** : gestion de la sécurité des aliments pour les emballages destinés aux boissons. - **NF EN 12899-3** : spécifications pour les récipients en verre destinés aux produits pharmaceutiques. - **Équipement de protection** : combinaison ignifuge, visière anti‑rayonnement infrarouge, protection auditive (niveau sonore > 85 dB près des soufflantes). - **Procédure de nettoyage des moules** : dégraissage à l’alcool isopropylique, séchage à l’air chaud, contrôle visuel pour éviter toute contamination. - **Gestion des déchets** : récupération du verre cassé (cullet) pour réintégration dans le batch (jusqu’à 30 % du poids total). --- ## Synthèse du chapitre - **Leçon 6** : préparation du batch (pesée, broyage, mélange), fusion entre 1450 °C et 1550 °C, facteurs de conversion pour passer des oxydes aux matières premières. - **Leçon 7** : décomposition thermique des carbonates (CO₂), affinage par soaking et clarification, mesure de viscosité à 1000 °C et d’indice de réfraction, temps d’affinage pratique 30‑45 min. - **Leçon 8** : procédés de formage (blow‑and‑blow, press‑and‑blow), contrôle du gob, recuit (lehr) autour de Tg ≈ 560 °C, critères de qualité (épaisseur, résistance au choc, étanchéité). - **Sécurité** : port d’EPI, ventilation des fumées, détection de CO/CO₂, procédures d’arrêt d’urgence, gestion du cullet. - **Qualité** : respect des normes ISO 9001, ISO 14001, NF EN 12899, ISO 22000 pour les emballages alimentaires et pharmaceutiques. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Batch | Mélange homogène de matières premières destiné à être fondu en verre. | | Gob | Quantité de verre fondu prélevée pour former un parison. | | Parison | Préforme de verre obtenue après le premier soufflage ou pressage. | | Tg (transition vitreuse) | Température à laquelle le verre passe d’un état liquide visqueux à un état solide fragile (~ 560 °C pour verre sodocalcique). | | Lehr | Four de recuit où le verre est refroidi lentement pour relâcher les contraintes internes. | | Cullet | Verre cassé récupéré et réintroduit dans le batch comme matière première secondaire. | | Clarifiant | Agent ajouté (ex. Na₂SO₄, Sb₂O₃) qui facilite l’élimination des bulles lors de l’affinage. | | Viscosité | Mesure de la résistance à l’écoulement du verre fondu, exprimée en Pa·s à température donnée. | | Épaisseur de paroi | Distance entre les surfaces intérieure et extérieure d’un récipient en verre, critère de résistance mécanique. | | Contrainte thermique | Contrainte interne générée par un refroidissement ou chauffage non uniforme du verre, pouvant entraîner la fissuration. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dosage du batch **Énoncé** : Une verrerie doit produire 250 kg de verre borosilicate de composition théorique : 80 % SiO₂, 10 % B₂O₃, 5 % Na₂O, 5 % Al₂O₃. Déterminer la masse de chaque matière première à peser sachant que l’on utilise du sable (SiO₂), de l’acide borique H₃BO₃ (source de B₂O₃), du carbonate de sodium Na₂CO₃ et de l’alumine Al₂O₃ déjà sous forme d’oxyde. **Corrigé** : 1. Masse d’oxide souhaitée : - SiO₂ : 0,80 × 250 = 200 kg - B₂O₃ : 0,10 × 250 = 25 kg - Na₂O : 0,05 × 250 = 12,5 kg - Al₂O₃ : 0,05 × 250 = 12,5 kg 2. Facteurs de conversion : - H₃BO₃ → B₂O₃ : 2 H₃BO₃ → B₂O₃ + 3 H₂O ; M(H₃BO₃)=61,83 g mol⁻¹ ; M(B₂O₃)=69,62 g mol⁻¹ → facteur = (2 × 61,83)/69,62 ≈ 1,78. - Na₂CO₃ → Na₂O : facteur = 106,0/62,0 = 1,71 (voir tableau Leçon 6). - Al₂O₃ : facteur = 1 (déjà oxide). - SiO₂ : facteur = 1. 3. Masse à peser : - SiO₂ : 200 kg × 1 = 200,0 kg - H₃BO₃ : 25 kg × 1,78 = 44,5 kg - Na₂CO₃ : 12,5 kg × 1,71 = 21,4 kg - Al₂O₃ : 12,5 kg × 1 = 12,5 kg **Réponse** : Préparer un batch de **200,0 kg de sable, 44,5 kg d’acide borique, 21,4 kg de carbonate de sodium et 12,5 kg d’alumine** pour obtenir 250 kg de verre borosilicate. --- ### Exercice 2 – Temps de refroidissement du parison **Énoncé** : Un parison de verre sodocalcique de forme cylindrique (diamètre 50 mm, longueur 150 mm) est sorti du moule à une température de 950 °C. Il doit être refroidi dans une fosse de refroidissement où la température ambiante est maintenue à 25 °C avec un coefficient de transfert thermique global h = 15 W m⁻² K⁻¹. En supposant un refroidissement unidimensionnel par convection et négligeant la résistance interne, estimer le temps nécessaire pour que la température du verre atteigne 550 °C (proche de Tg). **Corrigé** : On utilise la loi de refroidissement de Newton : \[ \frac{dT}{dt}= -\frac{hA}{\rho V c_p}(T-T_{amb}) \] où : - A = surface du cylindre = πDL + 2π(D/2)² - V = π(D/2)² L - ρ ≈ 2500 kg m⁻³ (densité du verre) - cₚ ≈ 800 J kg⁻¹ K⁻¹ (chaleur spécifique du verre) Calcul des grandeurs (en mètres) : D = 0,050 m, L = 0,150 m \[ A = \pi (0,050)(0,150) + 2\pi \left(\frac{0,050}{2}\right)^2 = \pi \times 0,0075 + 2\pi \times 0,000625 = 0,02356 + 0,00393 \approx 0,0275\ \text{m}^2 \] \[ V = \pi \left(\frac{0,050}{2}\right)^2 \times 0,150 = \pi \times 0,000625 \times 0,150 = \pi \times 9,375\times10^{-5} \approx 2,94\times10^{-4}\ \text{m}^3 \] Le terme \(\frac{hA}{\rho V c_p}\) : \[ \frac{hA}{\rho V c_p}= \frac{15 \times 0,0275}{2500 \times 2,94\times10^{-4} \times 800} = \frac{0,4125}{2500 \times 2,352\times10^{-1}} = \frac{0,4125}{588} \approx 7,02\times10^{-4}\ \text{s}^{-1} \] La solution de l’équation différentielle donne : \[ T(t)=T_{amb}+(T_0-T_{amb})e^{-kt} \] avec \(k = 7,02\times10^{-4}\ \text{s}^{-1}\), \(T_0=950\) °C, \(T_{amb}=25\) °C, \(T(t)=550\) °C. \[ 550 = 25 + (950-25)e^{-kt} \] \[ 525 = 925 e^{-kt} \] \[ e^{-kt}= \frac{525}{925}=0,5676 \] \[ -kt = \ln(0,5676) = -0,566 \] \[ t = \frac{0,566}{k}= \frac{0,566}{7,02\times10^{-4}} \approx 806\ \text{s} \approx 13,4\ \text{min} \] **Réponse** : Environ **13 à 14 minutes** de refroidissement sont nécessaires pour faire descendre la température du parison de 950 °C à 550 °C dans les conditions données. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Oublier de sécher le batch** (humidité > 0,1 %) | Formation de vapeur explosive lors de la montée en température → risque de surpression du four et de projection de verre fondu. | Vérifier l’humidité du batch avec un hygromètre avant alimentation du four ; sécher les matières premières au four à 110 °C si nécessaire. | | 2 | **Sur‑ ou sous‑dosage du flux (Na₂CO₃)** | Verre trop visqueux (difficulté de formage) ou trop fluide (déformation, perte de précision dimensionnelle). | Utiliser une balance de précision (±0,1 g) et vérifier le facteur de conversion ; réaliser un essai de viscosité sur un petit échantillon avant la production en série. | | 3 | **Refroidissement trop rapide du parison** (gradient > 150 °C / min) | Génération de contraintes thermiques élevées → fissuration ou casse lors du soufflage final. | Respecter les rampes de température prescrites dans le lehr (ex. 5 °C / min entre 900 °C et 500 °C) ; surveiller avec des thermocouples placés sur le parison. | | 4 | **Mauvaise entretien des moules** (résidus de verre, oxydation) | Défauts d’adhérence, marques de moule, contamination du verre par des particules métalliques. | Nettoyer les moules après chaque série avec un solvant adapté (alcool isopropylique), appliquer un revêtement de séparation (graphite ou céramique) et contrôler visuellement avant chaque chargement. | | 5 | **Négliger la détection de CO/CO₂** dans l’atelier d’affinage | Exposition des travailleurs à des gaz asphyxiants ou toxiques, risque d’accident silencieux. | Installer des détecteurs de CO et de CO₂ avec alarmes sonores et visuelles ; vérifier leur calibration mensuelle selon la norme EN 50291. | | 6 | **Utilisation d’EPI inadéquat** (lunettes non résistantes aux rayonnements infrarouges) | Lésions oculaires par rayonnement thermique du four ou du verre fondu. | Porter des lunettes de protection filtrant les IR (norme EN 166) et un écran facial lorsqu’on travaille à proximité du four de fusion ou du lehr. | --- *Fin du cours.*