Schématiser les procédés de synthèse ou de transformation (partie 5/6)

## Objectifs et prérequis À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire schématiquement les procédés de fabrication du ciment, de la craie scolaire et du verre plat ou de bouteille. - Identifier les unités opérationnelles principales (extraction, broyage, préchauffage, calcination, formage, recuit, etc.) et leurs fonctions. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques à chaque procédé (exposition aux poussières, températures élevées, manipulations de produits chimiques). - Réaliser un calcul simple de consommation d’énergie ou de matière première lié à chaque procédé. - Interpréter un schéma de procédé industriel et en proposer une amélioration basique (ex. récupération de chaleur). **Prérequis** : notions de base en chimie générale (oxydes, carbonates, silicates), lecture de schémas de blocs, unités du Système International (kg, t, MJ, °C), règles d’hygiène et de sécurité en atelier technique. --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, les industries de construction matériaux (cimenterie, verrerie, fabrication de craies scolaires) participent activement au développement des infrastructures routières, du logement et de l’éducation. Maîtriser le schéma de procédé permet au technicien de suivre la ligne de production, de détecter les dérives de qualité et d’assurer le respect des normes environnementales et de sécurité. Ce chapitre présente, leçon par leçon, les étapes essentielles de chaque filière, avec un accent sur la représentation schématique, les paramètres opérationnels et les bonnes pratiques professionnelles. --- ## I. Leçon 12 : Schéma de procédé des ciments ### 12.1 Définitions et vocabulaire > **Ciment Portland** : liant hydraulique obtenu par broyage fin du clinker (silicate et aluminate de calcium) avec ajout éventuel de gypse. > **Clinker** : produit intermédiaire résultant de la calcination d’un mélange calcaire‑argileux à environ 1450 °C. > **Broyage cru** : réduction en poudre fine du mélange calcaire‑argileux avant préchauffage. > **Préchauffage** : montée en température du cru grâce aux gaz de sortie du four. > **Calcination** : réaction de décarbonatation du calcaire (CaCO₃ → CaO + CO₂) dans le four rotatif. > **Refroidissement** : baisse rapide de température du clinker pour préserver ses propriétés réactives. > **Broyage final** : mélange du clinker avec 3‑5 % de gypse et éventuels ajouts (cendres, laitier) pour obtenir le ciment. ### 12.2 Principe de fabrication du ciment Portland Le procédé se déroule en continu dans une ligne comprenant : carrière → broyage cru → préchauffeur → four rotatif → refroidisseur → broyeur à boulets → ensilage → expédition. La matière première (calcaire 80 %, argile 20 %) est d’abord broyée à une finesse de 90 % < 90 µm, puis préchauffée à 800‑900 °C avant d’entrer dans le four où elle atteint 1450 °C. Le clinker obtenu est refroidi à moins de 150 °C, puis broyé avec du gypse pour contrôler le temps de prise. ### 12.3 Étapes du procédé (pas à pas) 1. **Extraction et concassage** : le calcaire et l’argile sont extraits, concassés à < 50 mm et stockés. 2. **Broyage cru** : alimentation du broyeur à boulets ou à barres avec ajout d’eau (8‑12 %) pour obtenir une bouillie homogène. 3. **Préchauffage** : la bouillie passe dans un préchauffeur à cyclones où elle reçoit la chaleur des gaz de sortie du four (récupération d’énergie). 4. **Calcination** : dans le four rotatif incliné (3‑5 %), la matière subit décarbonatation et formation des silicates et aluminates. 5. **Refroidissement** : le clinker tombe dans un refroidisseur à contre‑courant d’air ; la chaleur récupérée alimente le préchauffeur. 6. **Broyage final** : clinker + gypse (3‑5 %) → broyeur à boulets → séparation par classificateur → ensilage. 7. **Expédition** : ensilage → ensacheuse ou chargement en vrac. ### 12.4 Schéma de procédé (description texte) [Carrière] → [Concassage] → [Broyage cru] → [Préchauffeur] → [Four rotatif] → [Refroidisseur] → [Broyeur à boulets + classificateur] → [Silos de ciment] → [Ensachage/Expédition]. ### 12.5 Normes de sécurité et d’hygiène - Port de masque anti‑poussière (P2) lors du broyage cru et du broyage final. - Surveillance de la température du four (> 1400 °C) : zones délimitées, vêtements ignifuges. - Détection de CO₂ et de NOx dans les gaz de fumée ; ventilation obligatoire. - Consignes d’arrêt d’urgence du four en cas de surchauffe ou de blocage du refroidisseur. ### 12.6 Exemple chiffré : consommation de combustible pour 1 t de clinker On considère que la chaleur nécessaire pour porter le cru de 25 °C à 1450 °C et fournir la chaleur de réaction de décarbonatation est d’environ 3,6 MJ /kg de clinker. Avec un pouvoir calorifique inférieur (PCI) du charbon de 24 MJ /kg et un rendement thermique global de 40 % (pertes dans les gaz, refroidissement, etc.) : \[ \text{Consommation de charbon} = \frac{3,6\ \text{MJ/kg}}{0,40 \times 24\ \text{MJ/kg}} = 0,375\ \text{kg de charbon/kg de clinker} \] Pour 1 t (1000 kg) de clinker : \(0,375 \times 1000 = 375\ \text{kg de charbon}\). > **Règle à retenir** : la consommation théorique de combustible varie entre 0,30 et 0,45 kg de charbon par kg de clinker selon le rendement de l’installation. ### 12.7 Tableau récapitulatif des paramètres clés | Étape | Température typique (°C) | Consommation d’énergie (MJ/kg clinker) | Principal produit | |-------|--------------------------|----------------------------------------|-------------------| | Broyage cru | 25‑80 | 0,15 | Bouillie cru | | Préchauffage | 800‑900 | 0,40 (récupéré) | Cru préchauffé | | Four (calcination) | 1450 | 3,60 | Clinker | | Refroidisseur | 150‑250 | 0,20 (récupéré) | Clinker refroidi | | Broyage final | 25‑40 | 0,25 | Ciment Portland | --- ## II. Leçon 13 : Schéma de procédé des craies ### 13.1 Définitions et vocabulaire > **Craie scolaire** : bâtonnet de carbonate de calcium (CaCO₃) pur à > 95 %, utilisé pour l’écriture sur tableau noir. > **Calcaire broyé** : poudre de CaCO₃ obtenue après concassage et broyage du minerai. > **Agent de liaison** : petite quantité d’eau ou de gomme permettant l’extrusion de la pâte. > **Extrusion** : mise en forme de la pâte sous pression pour obtenir un bâtonnet continu. > **Séchage** : évaporation de l’eau à basse température (60‑80 °C) pour durcir la craie. > **Coupe** : segmentation du bâtonnet extrudé en longueurs standard (100 mm). ### 13.2 Principe de fabrication de la craie scolaire Le procédé part du calcaire naturel, qui est broyé à une finesse de < 10 µm, puis mélangé à une faible proportion d’eau (5‑8 % en masse) pour obtenir une pâte plastique. Cette pâte est extrudée à travers une filière de diamètre 12‑15 mm, coupée, séchée et enfin conditionnée en boîtes de 12 ou 24 bâtons. ### 13.3 Étapes du procédé (pas à pas) 1. **Extraction du calcaire** : carrière à ciel ouvert, concassage à < 20 mm. 2. **Broyage fin** : broyeur à boulets ou à jet d’air → poudre < 10 µm, contrôle de la répartition granulométrique. 3. **Stockage** : silo à poudre sèche, protection contre l’humidité. 4. **Préparation de la pâte** : mélangeur à vis sans fin, ajout d’eau contrôlée (5‑8 %) et éventuellement d’un agent antiglissant (stéarate de zinc 0,2 %). 5. **Extrusion** : vis d’extrusion → filière chauffée à 40‑50 °C pour éviter le collage. 6. **Coupe** : lame rotative synchronisée avec la vitesse d’extrusion → bâtons de 100 mm. 7. **Séchage** : tunnel de convection à 70 °C, débit d’air 0,5 m/s, temps de résidence 20‑30 min. 8. **Refroidissement et contrôle qualité** : vérification de la dureté (test de rayure) et de la pureté (analyse XRF). 9. **Conditionnement** : ensachage en boîtes carton, étiquetage, palettisation. ### 13.4 Schéma de procédé (description texte) [Carrière] → [Concassage] → [Broyage fin] → [Silo] → [Mélangeur + eau] → [Extrudeuse] → [Coupe] → [Tunnel de séchage] → [Refroidissement] → [Contrôle qualité] → [Conditionnement]. ### 13.5 Sécurité et hygiène - Port de masque anti‑poussière (P1) lors du broyage et du transfert de poudre. - Surveillance de l’humidité relative dans le tunnel de séchage (< 60 %) pour éviter la condensation et le développement de moisissures. - Nettoyage régulier des vis d’extrusion pour prévenir l’accumulation de matière et les bourrages. - Consignes d’arrêt immédiat en cas de surchauffe de la filière (> 80 °C) pouvant provoquer un collage excessif ou une détérioration de la qualité de la pâte. ### 13.6 Exemple chiffré : débit d’eau nécessaire pour une pâte de consistance cible On veut obtenir une pâte avec 6 % d’eau en masse. Le débit de poudre sèche entrant dans le mélangeur est de 250 kg/h. \[ \text{Eau nécessaire} = 0,06 \times 250\ \text{kg/h} = 15\ \text{kg/h} \] Comme la densité de l’eau est 1 kg/L, le débit volumétrique est de 15 L/h. > **Règle à retenir** : pour chaque 100 kg de poudre sèche, il faut ajouter 6 kg d’eau pour obtenir une pâte à 6 % d’humidité, valeur optimale pour l’extrusion sans fissures ni collage. ### 13.7 Tableau récapitulatif des paramètres clés | Étape | Température (°C) | Humidité de la matière | Débit typique (kg/h) | |-------|------------------|------------------------|----------------------| | Broyage fin | 25‑35 | < 0,5 % | 250 | | Mélangeur (eau) | 25‑30 | 5‑8 % (eau ajoutée) | 250 poudre + 15 eau | | Extrusion | 40‑50 | 5‑8 % (pâte) | 265 (pâte) | | Séchage | 60‑80 | < 0,5 % (produit sec) | 250 | | Conditionnement | 20‑25 | < 0,5 % | 250 | --- ## III. Leçon 14 : Schéma de procédé des verres ### 14.1 Définitions et vocabulaire > **Verre plat (float glass)** : verre obtenu par flottement d’un ruban de verre fondu sur un bain d’étain fondu, produisant une surface parfaitement plane et parallèle. > **Batch** : mélange de matières premières (sable siliceux, carbonate de sodium, carbonate de calcium, éventuellement oxyde de magnésium, alumina) destiné à la fusion. > **Four à cuve** : récipient réfractaire où le batch est porté à 1500‑1600 °C pour obtenir le verre fondu. > **Bain d’étain** : étain liquide à ~ 1050 °C sur lequel le verre flotte et se forme en ruban. > **Recuit** : refroidissement contrôlé dans un lehr pour éliminer les contraintes internes. > **Coupe** : tronçonnage du ruban verre en longueurs de produit fini (feuilles, bouteilles). ### 14.2 Principe de fabrication du verre plat (procédé Pilkington/Float) Le batch est introduit dans un four à cuve où il fond et se homogénéise. Le verre fondu sortant du four est versé sur un bain d’étain liquide ; grâce à la différence de densité, il flotte et s’étale en ruban de épaisseur contrôlée (2‑19 mm). Le ruban passe ensuite dans un lehr de recuit où la température est descendue progressivement de 600 °C à ambiante, puis il est coupé et inspecté. ### 14.3 Étapes du procédé (pas à pas) 1. **Préparation du batch** : pesage et mélange des matières premières (sable 70 %, Na₂CO₃ 13 %, CaCO₃ 10 %, additifs 7 %). 2. **Fusion** : four à cuve chauffé à 1550 °C, temps de résidence 2‑4 h, homogénéisation par agitation (bubbling d’air ou d’oxygène). 3. **Refinage** : montée en température à 1600 °C pour éliminer les bulles (définage) et ajuster la viscosité. 4. **Formage (float)** : débordement du verre fondu sur le bain d’étain (1050 °C), épaisseur réglée par la hauteur du débordement et la vitesse d’extraction. 5. **Recuit (lehr)** : passage dans un tunnel à plusieurs zones de température décroissante (600 → 150 → 30 °C) sur 30‑50 m pour détendre le verre. 6. **Contrôle en ligne** : mesure d’épaisseur, de planéité, de défauts optiques (caméras, lasers). 7. **Coupe et empilage** : coupe à la longueur souhaitée, empilage automatique, chargement sur palettes. ### 14.4 Schéma de procédé (description texte) [Préparation du batch] → [Four à cuve (fusion)] → [Refinage] → [Bain d’étain (float)] → [Lehr (recuit)] → [Contrôle qualité] → [Coupe] → [Empilage/Expédition]. ### 14.5 Sécurité et hygiène - Port de lunettes de protection anti‑UV et de gants résistants à la chaleur lors du chargement du four. - Surveillance des émissions de SO₂ et de NOx provenant de la décomposition des carbonates ; installation de scrubbers alcalins. - Zones d’exclusion autour du bain d’étain (risque de projection d’étain fondu > 1050 °C). - Procédure d’arrêt d’urgence du four en cas de dépassement de température (> 1650 °C) ou de fuite d’étain. - Nettoyage périodique du lehr pour éviter l’accumulation de dépôts de verre pouvant provoquer des points de rupture. ### 14.6 Exemple chiffré : consommation d’énergie pour fondre 100 kg de batch La chaleur spécifique nécessaire pour porter le batch de 25 °C à 1550 °C et fournir la chaleur de fusion est d’environ 3,2 MJ /kg de verre. Avec un rendement thermique du four de 45 % (pertes par les parois, les gaz de fumée, etc.) : \[ \text{Énergie nécessaire} = \frac{3,2\ \text{MJ/kg} \times 100\ \text{kg}}{0,45} = 711\ \text{MJ} \] Si l’on utilise du gaz naturel (PCI ≈ 35,8 MJ/m³) : \[ \text{Volume de gaz} = \frac{711\ \text{MJ}}{35,8\ \text{MJ/m³}} \approx 19,9\ \text{m³} \] > **Règle à retenir** : pour fondre du verre, il faut prévoir environ 7 MJ de combustible par kilogramme de batch lorsque le rendement du four est proche de 45 %. ### 14.7 Tableau récapitulatif des paramètres clés | Étape | Température (°C) | Consommation d’énergie (MJ/kg verre) | Principal produit | |-------|------------------|--------------------------------------|-------------------| | Préparation du batch | 25 | 0,05 | Mélange homogène | | Four à cuve (fusion) | 1550 | 2,80 | Verre fondu | | Refinage | 1600 | 0,20 | Verre débulle | | Bain d’étain (float) | 1050 | 0,10 (maintien bain) | Ruban verre | | Lehr (recuit) | 600 → 30 | 0,30 | Verre recuit | | Coupe & contrôle | 25‑40 | 0,05 | Produit fini | --- ## Synthèse du chapitre - **Ciment** : séquence carrière → broyage cru → préchauffeur → four rotatif → refroidisseur → broyeur final → ensilage. Consommation charbon ≈ 0,35 kg/kg clinker. - **Craie** : carrière → broyage fin → mélange eau (5‑8 %) → extrusion → coupe → séchage (70 °C) → contrôle → conditionnement. Eau nécessaire ≈ 6 % du masse de poudre sèche. - **Verre float** : préparation du batch → four à cuve (1550 °C) → raffinage → bain d’étain (1050 °C) → lehr de recuit → coupe. Énergie de fusion ≈ 3,2 MJ/kg verre (rendement ~45 %). - Sécurité : poussières (ciment, craie), chaleur élevée (four, bain d’étain), émissions gazeuses (SO₂, NOx), port de EPI adapté. - Chaque procédé possède un schéma de blocs lisible permettant de suivre les flux de matière et d’énergie. --- ## Glossaire - **Clinker** : produit intermédiaire du ciment, silicate et aluminate de calcium obtenu après calcination. - **Batch** : mélange de matières premières destiné à la fusion verrière. - **Préchauffeur** : dispositif qui utilise les gaz de sortie du four pour chauffer le cru avant la calcination. - **Extrusion** : mise en forme d’une pâte sous pression pour obtenir un profil continu. - **Float** : procédé de formation de verre plat par flottement sur un bain d’étain fondu. - **Lehr** : tunnel de recuit où le verre est refroidi lentement pour éliminer les contraintes. - **PCI** : pouvoir calorifique inférieur, quantité d’énergie libérée par la combustion complète d’un unité de masse de combustible. - **Soufre (SO₂)** : gaz acide issu de la décomposition des sulfates ou de la combustion de combustibles soufrés, à traiter avant rejet. --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Cimenterie Une cimenterie produit 500 t/j de clinker. Le PCI du charbon utilisé est de 26 MJ/kg et le rendement thermique global de l’installation est de 38 %. Calculer la consommation quotidienne de charbon (en tonnes). **Corrigé** : Chaleur nécessaire pour 1 t de clinker = 3,6 MJ/kg × 1000 kg = 3600 MJ/t. Énergie réellement fournie par le charbon = rendement × PCI = 0,38 × 26 MJ/kg = 9,88 MJ/kg. Consommation de charbon par tonne de clinker = 3600 / 9,88 ≈ 364,4 kg/t. Pour 500 t/j : 0,3644 t/t × 500 t = 182,2 t/j de charbon. > **Réponse** : environ **182 t de charbon par jour**. ### Exercice 2 – Fabrication de craie Un atelier doit préparer 120 kg de pâte de craie à 7 % d’humidité. Quelle masse d’eau (en kg) doit être ajoutée à la poudre sèche de CaCO₃ ? **Corrigé** : Masse d’eau = 0,07 × masse totale de pâte. Soit x = masse de poudre sèche. Alors masse totale = x + 0,07(x+ x) ??? Plus simple : Si la pâte contient 7 % d’eau, alors les 93 % restants sont poudre sèche. Donc poudre sèche = 0,93 × masse totale. Masse totale souhaitée = 120 kg → poudre sèche = 0,93 × 120 = 111,6 kg. Eau = masse totale – poudre sèche = 120 – 111,6 = 8,4 kg. > **Réponse** : **8,4 kg d’eau** à ajouter. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Situation | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de bonne pratique / sécurité | |-----------|------------------|-------------|------------------------------------| | **Chargement du four à ciment** | Oublier de vérifier la granulométrie du cru avant l’alimentation | Surcharge du four, formation de dépôts, hausse de la consommation de combustible | Toujours contrôler la taille des particules (< 90 µm) et la teneur en humidité (< 1 %) avant chargement. | | **Extrusion de la craie** | Utiliser une eau trop chaude (> 40 °C) dans la pâte | La pâte devient trop collante, risque de bourrage de la filière et de défauts de surface | Maintenir l’eau d’ajustement à température ambiante (20‑25 °C) et vérifier le pourcentage d’humidité avec un hygromètre portatif. | | **Bain d’étain du verre float** | Laisser la température du bain descendre sous 950 °C | Le verre cesse de flotter, épaisseur non uniforme, risque de rupture du ruban | Surveiller en continu la température du bain avec un thermocouple placé à mi‑profondeur ; intervenir immédiatement si < 950 °C. | | **Sortie du lehr de verre** | Augmenter trop vite la vitesse de sortie du ruban | Contraintes thermiques résiduelles, fragilité accrue, risque de casse lors de la coupe | Respecter les profils de température préconisés (descente de 600 °C à 30 °C sur au moins 30 m) ; utiliser un pyromètre en ligne pour ajuster la vitesse. | | **Manipulation de poussières de calcaire (craie)** | Ne pas porter de masque lors du nettoyage du broyeur | Inhalation de particules fines, risque de silicose à long terme | Porter systématiquement un masque filtrant P2 et assurer une aspiration locale efficace lors des opérations de broyage et de nettoyage. | | **Défaillance du système de récupération de chaleur (préchauffeur)** | Fermer les vannes de dérivation pour augmenter la température du four | Perte d’efficacité énergétique, hausse de la consommation de combustible, risque de surchauffe du four | Garder les vannes de récupération ouvertes sauf consigne de maintenance ; vérifier les débits de gaz avec un débitmètre chaque quart d’heure. |