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Introduction :
Les matières premières peuvent varier considérablement en ce qui concerne leur composition chimique, leur composition minéralogique, leur pureté, leurs propriétés physiques et chimiques, la taille des particules et leur prix. Les différentes catégories de matières premières comprennent : - des matières premières d'origine naturelle de composition souvent hétérogène, - des matières premières purifiées, dont la composition chimique et les propriétés physiques sont régularisées, - des matières premières industrielles, synthétiques, qui on subit un processus physico-chimique de préparation de façon à atteindre un haut niveau de qualité. Leur prix varie en fonction du processus de préparation. La caractérisation d'une matière première se fait à partir de la composition chimique globale, de la composition minéralogique et des propriétés physiques.
Matières premières naturelles utilisées directement :
Certaines industries céramiques traditionnelles sont proches géographiquement des gisements de matières quelles utilisent. Celles-ci sont employées directement dans le processus de fabrication. C'est le cas des tuileries et briqueteries et de certaines productions de produits réfractaires qui utilisent des argiles ou des roches silicatées ou aluminosilicatées.
Matières premières naturelles purifiées :
Elles sont très largement utilisées lors de la fabrication de nombreux produits comme la vaisselle, les réfractaires, le sanitaire, les isolants électrotechniques... Des exemples sont indiqués dans le tableau 1. Les argiles sont des matières premières possédant la propriété de plasticité. Elles proviennent de la décomposition chimique de roches telles que des granites. Un processus de transport et de sédimentation permet la formation de gisements importants. Elles sont généralement composées d'un mélange de minéraux argileux qui ont une structure en feuillets de composition aluminosilicate hydraté, ayant des formes et des tailles variables. On y trouve aussi des minéraux divers tels que le quartz SiO2, l'ilménite FeTiO2, le rutile TiO2, l'hématite Fe203, la calcite CaCO3... Les propriétés physiques des argiles dépendent étroitement de composition minéralogique. Les kaolins sont chimiquement plus purs. Ils sont essentiellement composés du minéral kaolinite de composition chimique Al2Si205(OH)4. Les halloysites ont une composition chimique proche de la kaolinite mais la forme des feuillets est différente. Ceci modifie le comportement physique et notamment la plasticité qui est considérablement augmentée. Les ball clays sont des argiles très plastiques contenant des matières organiques. Les bentonites contiennent une forte proportion du minéral montmorillonite. Elles sont excessivement collantes. D'autres aluminosilicates en feuillets ne possèdent pas la propriété de plasticité. Le talc et la pyrophylite sont très souvent utilisés dans les compositions de produits électrotechniques (stéatite) et de certains produits réfractaires (cordiérite). Les carbonates, les plus utilisés étant la craie CaCO2, la giobertite MgCO3, la dolomie (Ca,Mg)CO3 sont utilisés comme additifs dans les mélanges céramiques. Après calcination les oxydes CaO, MgO et (MgCa)O sont liés avec des goudrons afin de former des blocs réfractaires destinés aux fours d'aciéries. Les minerais de chrome, principalement composés de solutions solides complexes de spinelles (Mg,Fe)(AI,Cr,Fe)2O4 mélangées à des impuretés comme la dolomie et les silicates de magnésium, sont utilisés comme composants de produits réfractaires pour la sidérurgie.
Les quartz broyé proviennent de gisements de sables ou de roches de type quartzite. Il entre dans les compositions des céramiques classiques, lors de la fabrication des verres, vitrocéramiques et de produits réfractaires. Les feldspaths sont des roches utilisées pour leur propriétés fondantes. Elles forment spontanément un verre à haute température. Les plus utilisés sont ceux contenant les minéraux albite, orthose ou microline, néphéline, pétalite, spodumène, voir tableau Il. Généralement on constate la présence d'un mélange de ces minéraux ce qui crée une grande dispersion dans les propriétés physiques.
Des silico-aluminates non hydratés tels que les chamottes d'argile, la cyanite, la sillimanite, la bauxite..., voir tableau Il sont utilisés dans la réalisation de produits réfractaires. La bauxite est utilisée industriellement lors de la fabrication d'alumine Al203 et du métal aluminium.
Le zircon ZrSiO4 est employé comme opacifiant des verres, support de pigments et produit réfractaire pour la verrerie. C'est la matière première servant à la production industrielle de zircone ZrO2
Matières premières industrielles :
De nombreuses productions industrielles sont réalisées à partir de matières premières préalablement synthétisées. Cela permet la production de produits possédant des propriétés physiques et chimiques particulièrement contraignantes. Le tableau III cite quelques produits parmi les plus connus ainsi que les oxydes: employés.
Parmi les nombreux oxydes provenant d'une préparation industrielle on peut citer les exemples suivants:
L'alumine est le plus utilisé des oxydes. Il est synthétisé à partir de la bauxite par le procédé Bayer, voir figure 1. Le principe de ce procédé consiste à former un aluminate de sodium à pression et température élevée. Ce composé est ensuite hydrolysé et séché. L'hydroxyde d'aluminium, gibbsite AI(OH)3, est alors transformé en oxyde par calcination entre 1100 et 1650°C suivant la granulométrie et la forme cristalline recherchée. La principale difficulté de ce procédé consiste en l'élimination du sodium de manière a atteindre une pureté supérieure à 99.5% et même 99.9%. Pour cela la gibbsite est classifiée et lavée plusieurs fois avant calcination.
Le carbure de silicium est obtenu à partir de quartz pur et de coke, par calcination entre 2200 et 2500°C en four à arc électrique.
L'oxyde de titane est produit par voie chimique à partir de l'ilménite naturelle FeTiO3. On réalise une attaque par l'acide sulfurique afin de former un sulfate de titane soluble. Celui-ci est hydrolysé séparément sous forme d'hydroxyde de titane et calciné vers 1 000°C.
Le carbonate de baryum provient de la transformation des barytes naturelles, notamment celles de composition proche de BaSO4. Par réduction à haute température un obtient un sulfite de baryum soluble dans l'eau. Celui-ci peut réagir avec le gaz carbonique pour former un précipité de carbonate de baryum.
L'oxyde de fer a-Fe2O3 utilisé dans la fabrication des ferrites est produit à partir de la décomposition thermique des sulfates hydratés naturels, FeSO4,7H2O. On peut aussi précipiter un mélange d'hématite et de goethite, a-Fe2O3,H2O à partir d'une solution oxygénée contenant du fer métal dispersé servant de germe. La taille et la forme des cristaux d'oxyde de fer formés dépendent du pH, du temps, de la température et du taux d'ensemencement.
La zircone, ZrO2, est obtenue à partir du zircon ZrSiO4 ou de la baddeleyite qui est une zircone impure. Par exemple on peut traiter le minerai par le pyrosulfate de potassium. La solution de sulfates obtenue est ensuite traitée afin de séparer les impuretés.
L'oxyde de zinc, ZnO est produit à partir la calcination de sulfate de zinc naturel ou de l'oxydation du métal fondu lorsqu'on recherche une plus grande pureté. De même le carbonate de manganèse provient de la transformation du sulfate de manganèse naturel.
Nous avons présenté ici quelques aspects de la préparation des matières premières utilisées en céramique industrielle. Le choix de l'une ou l'autre sera guidé par les impératifs de qualité et de prix de revient. Le prix des matières premières n'est pas souvent prédominant devant celui du processus de réalisation des produits.
Quelques exemples de compositions céramiques (tableau1) :
Céramiques classiques :
Produits électrotechniques :
Produits réfractaires :
Verres :
Vitrocéramique à basse dilatation :
Emaux : SiO2, Al2O3, Alcalins, Alcalino terreux, PbO, B2O3 Composition adaptée à la température de cuisson et à la nature du support.
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