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Les ciments | Principe de fabrication ciment portland


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La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes:

  • préparation du cru
  • cuisson
  • broyage et conditionnement

Il existe 4 méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement du matériau:

  • Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne).
  • Fabrication du ciment par voie semi-humide (en partant de la voie humide).
  • Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée).
  • Fabrication du ciment par voie semi-sèche (en partant de la voie sèche).

La composé de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d’aluminates de calcium résultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec la silice (SiO2), l’alumine (Al2O3), et l’oxyde de fer (Fe2O3). La chaux nécessaire est apportée par des roches calcaires, l’alumine, la silice et l’oxyde de fer par des argiles. Les matériaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d’autres oxydes et en particulier Fe2O3, l'oxyde ferrique.

Le principe de la fabrication du ciment est le suivant: calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1450 °C) dans un four. Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker.

Un mélange d’argile et de calcaire est chauffé. Au début, on provoque le départ de l’eau de mouillage, puis au delà de 100 °C, le départ d’eau d’avantage liée. A partir de 400°C commence la composition en gaz carbonique (CO2) et en chaux (CaO), du calcaire qui est le carbonate de calcium (CaCO3).

Le mélange est porté à 1450-1550 °C, température de fusion. Le liquide ainsi obtenu permet l’obtention des différentes réactions. On suppose que les composants du ciment sont formés de la façon suivante: un partie de CaO est retenu par Al2O3 et Fe2O3 en formant une masse liquide. SiO2 et CaO restant réagissent pour donner le silicate bicalcique dont une partie se transforme en silicate tricalcique dans la mesure où il reste encore du CaO non combiné.

Fabrication par voie humide

Cette voie est utilisée depuis longtemps. C’est le procédé le plus ancien, le plus simple mais qui demande le plus d’énergie.

Dans ce procédé, le calcaire et l’argile sont mélangés et broyés finement avec l’eau de façon, à constituer une pâte assez liquide (28 à 42% d’eau).On brasse énergiquement cette pâte dans de grands bassins de 8 à 10 m de diamètre, dans lesquels tourne un manège de herses.

La pâte est ensuite stockée dans de grands bassins de plusieurs milliers de mètres cubes, où elle est continuellement malaxée et donc homogénéisée. Ce mélange est appelé le cru. Des analyses chimiques permettent de contrôler la composition de cette pâte, et d’apporter les corrections nécessaires avant sa cuisson.

La pâte est ensuite envoyée à l’entrée d’un four tournant, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure. Un four rotatif légèrement incliné est constitué d’un cylindre d’acier dont la longueur peut atteindre 200 mètres. On distingue à l’intérieure du four plusieurs zones, dont les 3 zones principales sont:

  • Zone de séchage.
  • Zone de décarbonatation.
  • Zone de clinkerisation.

Les parois de la partie supérieure du four (zone de séchage - environ 20% de la longueur du four) sont garnies de chaînes marines afin d’augmenter les échanges caloriques entre la pâte et les parties chaudes du four.

Le clinker à la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker) dont il existe plusieurs types (refroidisseur à grille, à ballonnets). La vitesse de trempe a une influence sur les propriétés du clinker (phase vitreuse).

De toutes façons, quelque soit la méthode de fabrication, à la sortie du four, on a un même clinker qui est encore chaud de environ 600-1200 °C. Il faut broyer celui-ci très finement et très régulièrement avec environ 5% de gypse CaSO4 afin de «régulariser» la prise.

Le broyage est une opération délicate et coûteuse, non seulement parce que le clinker est un matériau dur, mais aussi parce que même les meilleurs broyeurs ont des rendements énergétiques déplorables.

Les broyeurs à boulets sont de grands cylindres disposés presque horizontalement, remplis à moitié de boulets d’acier et que l’on fait tourner rapidement autour de leur axe (20t/mn) et le ciment atteint une température élevée (160°C), ce qui nécessite l’arrosage extérieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage de gypse en partie haute et on récupère la poudre en partie basse.

Dans le broyage à circuit ouvert, le clinker ne passe qu’une fois dans le broyage. Dans le broyage en circuit fermé, le clinker passe rapidement dans le broyeur puis à la sortie, est trié dans un cyclone. Le broyage a pour but, d’une part de réduire les grains du clinker en poudre, d’autre part de procéder à l’ajout du gypse (environ 4%) pour réguler quelques propriétés du ciment portland (le temps de prise et de durcissement).

A la sortie du broyeur, le ciment a une température environ de 160 °C et avant d'être transporter vers des silos de stockages, il doit passer au refroidisseur à force centrifuge pour que la température de ciment reste à environ 65 °C.

Fabrication par voie sèche

Les ciments usuels sont fabriqués à partir d’un mélange de calcaire (CaCO3) environ de 80% et d’argile (SiO2 –Al2O3) environ de 20%. Selon l’origine des matières premières, ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d’alumine et de silice requis.

Après avoir finement broyé, la poudre est transportée depuis le silo homogénéisateur jusqu’au four, soit par pompe, soit par aéroglisseur.

Les fours sont constitués de deux parties:

  • Un four vertical fixe, préchauffeur (cyclones échangeurs de chaleur).
  • Un four rotatif.

Les gaz réchauffent la poudre crue qui circule dans les cyclones en sens inverse, par gravité. La poudre s’échauffe ainsi jusqu’à 800 °C environ et perd donc son gaz carbonique (CO2) et son eau. La poudre pénètre ensuite dans un four rotatif analogue à celui utilisé dans la voie humide, mais beaucoup plus court.

La méthode de fabrication par voie sèche pose aux fabricants d’importants problèmes techniques:

  1. La ségrégation possible entre argile et calcaire dans les préchauffeurs. En effet, le système utilisé semble être néfaste et en fait, est utilisé ailleurs, pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il n’en est rien. La poudre reste homogène et ceci peut s'expliquer par le fait que l’argile et le calcaire ont la même densité (2,70 g/cm3). De plus, le matériel a été conçu dans cet esprit et toutes les précautions ont été prises.
  2. Le problème des poussières. Ce problème est rendu d’autant plus aigu, que les pouvoirs publics, très sensibilisés par les problèmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants à installer des dépoussiéreurs, ce qui augmente considérablement les investissements de la cimenterie.Les dépoussiéreurs sont constitués de grilles de fils métalliques portés à haute tension et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussière ionisée. Ces grains de poussière s’agglomèrent et sous l’action de vibreurs qui agitent les fils retombent au fond du dépoussiéreur où ils sont récupérés et renvoyés dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de l’ordre de 99%, mais absorbent une part importante du capital d’équipement de la cimenterie.
  3. Le problème de l’homogénéité du cru est délicat. Nous avons vu comment il pouvait être résolu au moyen d’une préhomogénéisation puis d’une homogénéisation.

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