Société de l`Industrie Minérale

dossier
Ceramitec
société de l'industrie minérale
Supports de cuisson
Aptalite®, une réponse
à la hausse des coûts
de l’énergie
S
Situé dans l’Audomarois, le site de
Wardrecques occupe une superficie
d’environ 10 hectares au carrefour du
Boulonnais, des Flandres et de l’Artois.
Il est certifié ISO 9 001 et ISO 14 001.
Il emploie 54 personnes pour une
production moyenne annuelle d’environ 61 100 tonnes de tuiles pour ses
deux unités (WarA1 et War02), dont
1 100 tonnes d’accessoires. L’unité
WarA1 est dédiée à la fabrication des
accessoires pour tuiles à emboîtement, et War02 aux tuiles à emboîtement comme les Monopole n°1 et
n°3, la Panne S et la double Panne S.
Précisons que la cuisson des accessoires sur WarA1 continue de se faire sur
1 800 supports en U. Les travaux de
modernisation réalisés sur cette ligne
seront décrits plus en détail dans un
article à paraître dans icv 1026.
les couleurs, plus proches des attentes du public, et d’optimiser la qualité
des tuiles en substituant aux supports
de cuisson U des supports de cuisson
unitaires H, qui permettent d’améliorer considérablement l’esthétique
(tuiles émaillées et satinées) et la
planéité des produits. Tandis que l’on
acceptait encore, il y a quelques années, une tolérance de planéité de
0,5 mm ou de légères marques de collage liées à l’utilisation de frittes d’engobage, aujourd’hui un tuilier ne peut
plus se permettre ces écarts. Sans oublier le fait qu’une meilleure efficience
énergétique des agrégats thermiques
et des supports correspondants devrait favoriser une meilleure adaptation à l’évolution du prix de l’énergie
et une maîtrise plus fine de leur répercussion sur les coûts de production.
1. Le site
de Wardrecques
a été fondé au début
du XXe siècle
Une modernisation exigée
par le marché
Une accélération
du process
2. La gamme
des tuiles produite
à Wardrecques
correspond
aux goûts
et à l’esthétique
des marchés du nord
de la France,
de la Belgique
et de l’Angleterre
Ce récent investissement vise au développement de l’outil de production
pour répondre efficacement aux besoins des marchés du nord de la France, de la Belgique et de l’Angleterre.
Cette modernisation permet notamment d’élargir la gamme en intégrant
de nouveaux produits et de nouvel-
La modernisation de l’unité de fabrication a impliqué une mini-révolution, puis le cycle de cuisson a été
abaissé, en moyenne et suivant les
produits, d’une soixantaine à une
vingtaine d’heures avec remplacement du four à joint d’eau par un four
à joint de sable. La rotation des supports s’en trouve elle-même de fait
accélérée. Pour cette mutation, il fallait
un support de cuisson qui puisse offrir
des performances optimales en termes de reproductibilité dimensionnelle, de durée de vie liée aux contraintes mécaniques et thermiques (jusqu’à
3 000 cycles, suivant les conditions
d’exploitation). Aujourd’hui, ce sont
des milliers de supports réversibles
adaptés au format grand moule et
1
22
www.lasim.org
L’unité 2 du site Imerys
Terre Cuite de Wardrecques
produit des tuiles
à emboîtement. Elle a fait
peau neuve à 80 %,
de la préparation terre
jusqu’à la palettisation
des produits finis.
La modernisation de l’unité
a été réalisée
en partenariat avec Keyria,
spécialiste de l’ingénierie
des matériaux
de construction,
et c’est Imerys Kiln
Furniture (IKF) –qui fait
partie de la division
Matériaux et Monolithiques
du groupe Imerys–
qui a assuré la conception
et la fabrication
des supports de cuisson
réversibles qui équipent
désormais cette unité.
Ces supports présentent
des innovations techniques
majeures décrites
dans l’article suivant.
petit moule qui sont en rotation sur
les wagons de l’unité War02. Un support peut accueillir une tuile grand
moule (10/m2) ou deux tuiles petit
moule (2 x 22/m2).
Mon support, un U ou un H ?
Les supports en U et les supports en
H répondent à des demandes clients
et des configurations de ligne différentes. Les U sont associés à une cuisson
verticale et longue (25-50 heures) et
à une température de cuisson ne dépassant pas les 1050 °C, tandis que les
H sont utilisés pour une cuisson à
plat des tuiles où le cycle de cuisson
(jusqu’à 1 200 °C) est de 10-12 heures
et permettent ultérieurement tous
types de traitement de surface (poudre, émail, engobe). Le projet de modernisation, à Wardrecques rendait
par conséquent ce passage du U au H
indispensable. À noter qu’IKF propose
aussi à ses clients des cassettes en H
, n° 1025, juillet/août 2009
dossier
Les objectifs
Les objectifs principaux dans la démarche de l’industriel sont d’améliorer son produit et de baisser sa facture
énergétique. Le défi pour le concepteur et fabricant de supports de cuisson est de fournir une solution qui
réponde à ces objectifs tout en maintenant les performances thermomécaniques communément exigées et admises dans la profession. IKF a donc
revu et optimisé la conception microstructurale de sa cordiérite. Le cas
d’Imerys est un peu particulier dans
la mesure où le groupe est à la fois
présent dans la fabrication du support
et dans son utilisation. Faut-il y voir
ici un avantage ? Probablement oui
en termes de possibilité de tests in
situ, mais le challenge industriel reste
le même et les exigences de performances aussi… Les propriétés physiques telles que l’absorption d’eau, la
densité, la porosité, le module de rupture, les résistances aux chocs thermiques ou le fluage à haute température, ne devaient pas être influencées
négativement par la réduction de la
densité spécifique.
pour la cuisson des accessoires, avec
ou sans la combinaison d’inserts, pour
une plus grande flexibilité d’utilisation sur la ligne.
Aptalite®
IKF est le numéro 1 mondial du support de cuisson pour la terre cuite.
Une de ses forces est de disposer en
interne des ressources nécessaires
pour concevoir, fournir, optimiser la
solution fournie tout au long de son
utilisation industrielle et assister ses
clients. S’il a déjà un portefeuille de
produits « blancs » très large (cordiérité, mullite, alumine, porcelaine et
zircone) aux applications diverses, les
H de Wardrecques ont été conçus
dans un nouveau matériau réalisé à
base de cordiérite, baptisé Aptalite .
Ce matériau 20 % plus léger que la
cordiérite doit, selon IKF, assurer au
fabricant entre 4 et 10 % d’économies
d’énergie et d’émissions de CO2 en
moins. Le programme est alléchant,
mais regardons de plus près la composition et les caractéristiques de ce
matériau…
®
Un peu d’histoire …
La tuilerie a été fondée au début des années 1900. Tuiles,
hourdis en terre cuite et planchers en béton constituaient
la production de l’époque. Rachetée en 1987 par le groupe
Imerys (ex-Imetal), l’usine a fait l’objet, en 1990,
d’une complète modernisation. Aujourd’hui, l’usine alimente
le Nord–Pas-de-Calais ainsi que la Belgique et l’Angleterre.
En 2009, Imerys terre cuite réalise un nouvel investissement :
la transformation des supports de cuisson de U en H.
La tuilerie fait partie des 19 sites français d'Imerys Terre cuite
qui emploie 1 700 collaborateurs (CA 2008 : 479 M€).
2
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, n° 1025, juillet/août 2009
23
dossier
3
3. Un ingénieux
système de rotation
à 360°C synchronisé
sur les deux
supports de pinces
au niveau du robot
empileur du sec
avant la cuisson
permet d’éliminer
les éventuelles
salissures sans
contact direct
4.War02 produit
la Panne S
et la double Panne S
(1) A consulter :
l’article paru
dans Cfi 85 (2008)
n°1-2 par Dr Andreas
Sonntag, Monika
Weber, Sandor Kiss
et Zoltan Bonomi (IKF).
Le développement
La cordiérite demeure le matériau de
référence pour l’élaboration des supports de cuisson dans la terre cuite en
raison du compromis optimal qu’elle
offre entre propriétés thermophysiques, durée de service et coûts de
production. Son faible coefficient de
dilatation thermique explique sa résistance au choc thermique plus que
satisfaisante, et donc son aptitude à
résister aux cyclages thermiques, a
fortiori dans le cadre d’une modernisation comme celle de Wardrecques
où la durée de cuisson est drastiquement réduite. L’application en terre
cuite de la cordiérite contient en soi
quelques limitations liées au module
de rupture –assez faible pour la cordiérite– et à la température de décomposition (1 420 °C). Le module de
rupture des cordiérites traditionnellement utilisées dans les supports de
cuisson d’IKF (ex : Aptakorit ZSA)
est de 18,2 Mpa à 1 200 °C et de
24,8 Mpa à 20 °C. Il faut donc être prudent car la marge de manœuvre n’est
pas énorme, même si elle existe. Pour
la température, on cuit à 980 °C à Wardrecques, donc la menace de décomposition est encore bien lointaine.
Organisation d’IKF
4 business units (ou BU) basées en France, Hongrie, Espagne et Thaïlande
550 personnes dans 4 pays
CA 2008 : 45 M€
Secteurs géographiques :
–Europe occidentale : IKF France avec un bureau d’études
et la direction commerciale (Chapelle Saint-Mesmin France) ;
–Europe centrale et orientale : IKF Hongrie, usine à Hódmezõvásárhely
(supports pour la terre cuite (cassettes en U et H), la vaisselle,
le sanitaire et les céramiques techniques) ;
–Europe du Sud et Amériques : IKF Espagne, usine de Cedonosa
(Cuntis) : supports de tuiles avec cassettes en U, en H, wagons
de four, carrelage et usine de Lomba (La Guardia) : supports
pour la vaisselle, le sanitaire et le carrelage ;
–Asie et Moyen-Orient : IKF Thaïlande, usine de Saraburi
(supports pour la vaisselle, le carrelage et le sanitaire).
Une microstructure revue
et optimisée(1)
L’allégement du support en cordiérite sans chute brutale et fatale de son
module de rupture a déjà fait l’objet
de développements de produits dans
le domaine de la céramique. Les fabricants de béton réfractaire utilisent
communément des sphères réfractaires creuses dans leurs matrices
mais, pour les cordiérites, la démarche est encore assez nouvelle. Les
caractéristiques essentielles des céramiques à base de cordiérite sont déterminées par la matrice qui lie tous les
composants entre eux. L’allégement
des réfractaires ou des matériaux de
construction vise généralement à
réduire leur conductivité thermique.
Pour des matériaux qui ont une fonction purement isolante et qui ne sont
pas en contact direct avec les produits
comme les éléments de superstructure de wagons, cela n'est pas gênant,
mais pour des supports de cuisson
soumis à de fortes contraintes mécaniques, cela l'est beaucoup plus. Le challenge est donc de pouvoir alléger le
matériau en augmentant la porosité,
tout en gardant des caractéristiques
de résistance mécanique élevées.
Une matrice céramique à base de
cordiérite contient des agrégats de
grains de granulométrie grossière elle
répond donc aux règles de base de la
conception microstructurale des réfractaires. Comme le support est produit par coulage sous pression, la
redéfinition de la barbotine de coulage
ne doit pas provoquer de ségrégations préjudiciables à la qualité du
produit fini. IKF a donc fait des études
et simulations poussées sur différentes compositions basées sur la différentiation de composants passifs et
actifs dans la matrice. Elle a développé
une composition faisant entrer des
microsphères céramiques creuses
jouant le rôle de composants microstructuraux passifs, associés à une base
de mullite. L’examen au MEB a fait
apparaître la formation d’un réseau
dense d’aiguilles de mullite, provenant
d’une phase partiellement amorphe.
Si le fluage à haute température augmente peu tandis que le module de
rupture baisse légèrement, la matrice
cordiérite n’est pas fragilisée par les
microsphères. Cordiérite classique et
Aptalite se stabilisent en effet à des
®
24
modules de rupture identiques, la
différence à l'état neuf se gommant au
bout de quelques cycles d'utilisation.
En interne dans les usines d’IKF, la
composition a nécessité quelques
adaptations pour faciliter la fabrication en masse de supports.
Testées sur plusieurs sites industriels,
les performances des supports en
Aptalite , en termes d’écaillage, de
stabilité géométrique, de résistance à
la corrosion et de résistance mécanique, ont montré des résultats compatibles avec ceux de supports standard.
®
Conclusion
A part les risques de casse et d’écaillage des supports liés aux systèmes
d’empilage et dépilage automatisés,
généralement éliminés en période de
rodage de l’installation, les supports
semblent donner entière satisfaction
à l’industriel. Un ingénieux système de
rotation à 360°, synchronisé sur les
deux supports de pinces au niveau
du robot empileur du sec avant la
cuisson, permet d’éliminer les éventuelles salissures sans contact direct.
Les visiteurs du salon Ceramitec auront le loisir de se renseigner de
manière plus approfondie sur les
améliorations potentielles apportées
par Aptalite …
®
4
, n° 1025, juillet/août 2009
dossier
Ceramitec
société de l'industrie minérale
Firing supports
Aptalite®, a solution
to fight higher energy costs
L
Located in the Audomarois region,
the Wardrecques site covers an area
of approx. 10 hectares at the crossroad
of the Boulogne, Flanders and Artois
regions. It holds ISO 9 001 and ISO
14 001 certifications and employs
54 people for an annual average
production of about 61,000 tonnes
of tiles through its 2 units (WarA1
and War02) including 1,000 tonnes of
accessories. Unit WarA1 is dedicated
to manufacturing accessories for
interlocking tiles and War02 to interlocking tiles such as the Monopole n°1
and n°3, S pan tiles and double S pan
tiles. We should point out that accessory firing on line WarA1 is still carried out using 1,800 U shape supports.
The revamping work carried out on
this line will be described in more
details in an article to be published in
icv 1026.
widen the range of products by incorporating new products and colours
which more closely meet market
expectations and to optimise the
quality of the tiles by replacing the
U shape supports with H shape single
supports which allow to considerably
improve the aesthetics and flatness of
the products (glaze and satin finish
tiles). Where a few years ago, a flatness
tolerance of 0.5 mm or where light
specks of glue due to the use of
powder engobing slips were still acceptable, today a tile manufacturer
cannot allow himself these discrepancies. Not forgetful of the fact that
a greater energy efficiency of thermal
aggregates and of their corresponding supports should help to more
easily adapt to the evolving costs of
energy and to more accurately control
their impact on production costs.
An upgrade required
by the market
Speeding-up the process
This recent investment is aimed at
developing the production facility in
order to efficiently meet the needs of
the markets in the North of France,
Belgium and England. Revamping the
plant allows among other things to
1. The Wardrecques
site was founded
in the beginning
of the XXth century
66
Revamping the production unit involved nothing less than a mini-revolution as the firing cycle was shortened
on average, depending on the products, from about sixty to about twenty hours as the water seal kiln was
replaced by a sand seal kiln. As a result,
www.lasim.org
The unit 2 of the Imerys
roofing plant
of Wardrecques produces
interlocking roofing tiles.
It had a new face lift
with an 80 % upgrade
of its earth preparation
up to and including
the pallettisation
of its finished products.
Revamping of the unit
was carried out
in partnership with Keyria,
the specialist
in construction materials
engineering, and Imerys
Kiln Furniture (IKF),
who belongs to Imery's
Building Materials
& Monolithics division,
provided the design
and fabrication
of the reversible supports
supplied to the unit.
These supports represent
the major technical
innovations which
are discussed
in the following article.
rotating the supports is in fact accelerated. To achieve this transformation,
it was necessary to have a support
providing optimal performances in
terms of dimensional reproducibility,
and service life in terms of thermal
and mechanical stresses (up to 3,000
cycles depending on operating conditions). Today, there are thousands of
reversible supports, which are suitable for both the large and small mould
formats, which are circulated on the
kiln cars of the War02 unit. A support
can accomodate one large format size
tile (10/m2) or two small format size
tiles (2 x 22/m2).
U or H shaped supports?
U shape and H shape supports meet
client requirements and different
design configurations. The U shape
supports are used for vertical and long
firing periods (25-50 hours) and firing
temperatures of less than 1,050°C,
, n° 1025, July/August 2009
dossier
whilst the H shape supports are used
to fire the tiles flat down where the
firing cycle (up to 1,200°C) is between
10-12 hours and subsequently allows
all kind of surface treatments (powder,
glaze, slip). Therefore, the revamping
project at Wardrecques made the
transition from the U shape to the
H shape essential. It should be noted
that IKF also offers its clients H shape
cassettes for firing accessories, with
or without the combination of inserts
to provide greater flexibility of operation on the production line.
Aptalite®
IKF is the number 1 leader worldwide
for supplying supports for firing heavy
clay products. One of its strength is
that it has the necessary resources inhouse to design, supply, and service
its clients and to optimise the solution
provided throughout its industrial
service life. Although it already has a
very wide portfolio of “white” products (cordierite; mullite, alumina,
porcelain and zirconia) for various
applications, the H shape Wardrecques supports have been designed
from a new material based on cordierite and named Aptalite . This material which is 20 % lighter than cordierite, according to IKF, must provide
a 4 to 10 % energy and CO2 emission
savings to the manufacturer. The programme is attractive, but let us closely
examine the composition and the
properties
of this material…
pub guide 2007 TL 2.qxp 31/10/2007
®
Aims
The primary aims of the manufacturer are to improve his product and to
lower his energy bill. The challenge for
the designer and the support manufacturer is to provide a solution which
meets these aims whilst maintaining
the thermomechanical performances commonly required and acknowledged in the trade. Therefore, IKF
has revised and optimised the microstructural design of its cordierite. The
case at Imerys is somewhat special to
the extent that the Group is both a
manufacturer and a user of supports.
Should we see this as an advantage?
Probably in terms of being able to
carry out testing in situ but the industrial challenge and efficiency requirements still remain. The physical properties such as water absorption,
density, porosity, rupture modulus,
thermal shock resistance or high
temperature creeping should not be
impacted negatively because of a
lower specific density.
Development
Cordierite remains a reference material for designing supports for heavy
clay products given the optimal balance it provides between thermophysical properties, service life and
production costs. Its low coefficient
of thermal expansion explains its
more than satisfactory thermal shock
resistance and therefore its ability to
resist to thermal cycling, all the more
as part of a revamping project such
16:42 Page 1
2
as at Wardrecques where the firing
time has been dramatically reduced.
The application of cordierite in heavy
clay has some limitations per se in
regards to the fairly weak rupture
modulus of cordierite and to its temperature of decomposition (1 420°C).
The rupture modulus of cordierites
2. The range
of products
produced
in Wardrecques
efficiently meet
the needs
of the markets
in the North
of France, Belgium
and England
A little history…
The roofing tile plant was established in the early
1900's.Roofing tiles, hourdi bricks and concrete floors
constituted the production of that era. It was acquired in 1987
by the Imerys Group (former Imetal) and the plant was fully
revamped in 1990. Today, the plant supplies the Nord-Pas de
Calais region, Belgium and English markets. 2009: "Imerys
Heavy Clay" is making a new investment: converting
«U» shape supports into «H» shape supports. The roofing tile
plant is one of the 19 French plants of Imerys Terre Cuite
which employs 1,700 people (Sales for 2008: €479 m.).
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, n° 1025, July/August 2009
67
dossier
3. An ingenious 360°
synchronized
rotation system
on the two fork
holders of the dry
product stacking
robot prior to firing,
allows to eliminate
any possible soiling
of the product
without direct
contact
4.War02 produces
S pan tiles and
double S pan tiles
(1) Please see
the article published
in the CFI 85 (2008)
n° 1-2 by Dr. Andreas
Sonntag, Monika
Weber, Sandor Kiss
and Zoltan Bonomi
(IKF)
Although high-temperature creeping
increases very slightly whilst the rupture modulus slightly decreases, the
cordierite matrix is not weakened by
the microspheres. The classical cordierite and Aptalite tend indeed to
stabilize at identical MOR values, the
difference observed on brand new
supports tends to fade away after
some cycles of use. In-house at the IKF
plants, the body has required a few
adjustments to facilitate the mass
production of the supports.
Tested at several industrial sites, the
performances of the Aptalite supports in terms of chipping, geometrical stability, corrosion resistance and
mechanical strength have shown
results that are compatible with those
of standard supports.
®
3
conventionally used for the IKF supports (example Aptakorit ZSA) is
18.2 Mpa at 1 200°C and 24.8 Mpa at
20°C. One must therefore be careful
as the scope for manoeuvring is not
enormous even if it does exist. As regards temperatures, Wardrecques
fires at a temperature of 980°C, therefore the threat for decomposition is
still remote.
A revised and optimised
microstructure(1)
The lightening of the cordierite support without a sudden or fatal fall of
its rupture modulus has already led
to product developments in the field
of ceramics. Manufacturers of refractory concrete commonly use hollow
refractory spheres in their matrix but
in the case of cordierite this approach
is still quite new. The essential properties of cordierite based ceramics are
determined by the matrix that bonds
all of the compounds together. The
lightening of construction materials
or refractories is usually aimed at
reducing their thermal conductivity.
For materials which have a purely
insulating role and which are not in
direct contact with the products like
for instance the superstructure elements of kiln cars, this is not pertubating, but for firing supports subjected to high mechanical stress, this is
more so. Consequently, the challenge
is to lighten the material by increasing
its porosity, while keeping high mechanical strength characteristics.
A cordierite based ceramic matrix
contains coarse particle size aggregates; it therefore meets the basic laws
of microstructural design for refractories. Given that the support is produced by pressure casting, redefining
the casting slip must not bring about
any detrimental segregation to the
quality of the finish product. IKF has
therefore carried out surveys and
extensive simulations on different
compositions based on the different
properties of the passive and active
compounds in the matrix. They developed a compound that allows to incorporate hollow ceramic microspheres, that fulfil the role of passive
microstructural compounds in association with a mullite base compound.
SEM examination has revealed the
formation of a dense network of mullite needles originating from a partially
amorphous phase.
®
Conclusion
Apart from the risks of breakage and
chipping of the supports occurring
during the automatic stacking and unstacking operations, which are usually
eliminated during the running-in
period of the facility, the supports
seemed to give the manufacturer
complete satisfaction. An ingenious
360° synchronized rotation system on
the two fork holder of the dry product
stacking robot prior to firing, allows
to eliminate any possible soiling of the
product without direct contact. The
visitors of the Ceramitec trade show
will have the leisure to inquire indepth about the potential improvements that Aptalite can provide…
®
IKF’s organisation
4 business units (or BU) based in France, Hungary, Spain and Thailand
550 people in 4 countries
Turnover 2008: €45 m.
Geographical sectors:
- Western Europe: IKF France with an engineering department and sales
management (Chapelle Saint-Mesmin, France);
- Central and Eastern Europe: IKF Hungary with a plant in Hódmezõvásárhely
(supports for the heavy clay (U and H cassettes), the tableware, the sanitaryware
and the technical ceramics);
- Southern Europe and Americas: IKF Spain with a plant in Cedonosa (Cuntis):
rooftile supports (U and H shape cassettes), kiln cars, tiles and a Lomba plant
(La Guardia): supports for tableware, sanitaryware or tiles;
- Asia and Middle East: IKF Thaïland with a plant in Saraburi (supports
for tableware, tiles and sanitaryware).
68
4
, n° 1025, July/August 2009