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Sur cette page : Monocuisson, article technologique de Smart.Conseil
 
 
MONOCUISSON

par Smart.Conseil

 
 
 
cuisson céramique, monoxyde de carbone, réduction atmosphère, mesure atmosphère, température, raku, oxydes métalliques, porcelaine

 
 
 
Monocuisson : Once firing (Eng)
 
En céramique émaillée, la monocuisson consiste à cuire simultanément une terre crue et sa glaçure. C'est le procédé céramique qui offre la meilleure performance énergétique, mais c'est aussi une technique pointue qui demande une maîtrise parfaite et de savantes mises au point pour réaliser une production de qualité.
En règle générale, en vaisselle ou en poterie, la monocuisson est utilisée pour produire des objets bon marché dont les critères de qualité ne sont pas très rigoureux. La monocuisson bien maîtrisée est sourtout le fait de productions industrielles entièrement basées sur cette technique comme celles du carrelage et du sanitaire... et de quelques exceptions en vaisselle.
 
 
Technique 2 ou 3 en 1 :
 
 
Dans certains cas la monocuisson peut aussi permettre de réaliser simultanément la cuisson de la terre, du décor et de la glaçure, imbattable au niveau coût de cuisson.
 
Le meilleure exemple cette application se trouve dans la fabrication industrielle des carrelages, où les carreaux pressés en pâte sèche sont sérigraphiés avec une ou plusieurs couleurs avant d'être émaillés par turbine puis passés dans un four à cuisson rapide. La production en quelques heures des carreaux décorés en monocuisson se prête particulièrement bien à cette technique, mais elle n'a été rendue possible et fiable que grâce à d'importantes recherches sur la glaçure et sur la pâte. On parle alors de monocuisson "rapide".
 
Un autre exemple de monocuisson 3 en 1 en vaisselle était celui de la fabrication industrielle des mugs décorés. Décoration jusqu'à 4 couleurs posées en sérigraphie directe sur les pièces crues sèches émaillées par aspersion puis passage en cuisson dans les four tunnels de l'usine "Staffordshire Tableware" de Stoke-on-trent (GB) dans les années 1995 où plus d'un millions de mugs destinés à la grande distribution étaient ainsi produits par semaine.
 
Une exception Française pour la vaisselle, la société Revol à St-Uze maîtrise parfaitement la monocuisson rapide de la porcelaine émaillée. Elle produit une porcelaine culinaire de qualité sur une gamme d'articles aux lignes modernes.
 
Le procédé de monocuisson permet de réaliser 2 à 3 opérations céramiques fondamentales en une seule cuisson. Beaucoup d'industriels tentent la réalisation de céramiques en monocuisson, l'enjeu économique est très important, surtout lorsque les produits doivent rester abordables et concurencer les importations à faible coût de main d'oeuvre.
 
Les potiers de grès travaillent souvent en monocuisson, les glaçures non frittées permettent ce procédé de même que les glaçures au sel (voir cette page : http://pagesperso-orange.fr/smart2000/glacures_au_sel.htm).
 
Mais pour pouvoir profiter pleinement des effets "cost-réducteurs" de la monocuisson, il faut vraiment disposer de solutions céramiques parfaitement adaptées à ce procédé, car en cas de défaillance la monocuisson peut s'avèrer très destructrice et ruiner totalement toute une production.
 
 
ABC... de la monocuisson :
 
 
A) La glaçure doit avoir une température de fusion la plus tardive possible afin de permettre aux gaz du tesson de s'échapper sans endommager la surface émaillée (sinon il se produit des bulles et des cratères dans la glaçure).
 
Les glaçures de grès ou de porcelaine seront constituées de matières premières crues plutôt que de frittes afin que la fusion soit plus tardive. Le choix de matières fondantes (feldspaths) à un niveau de finesse moindre aidera à faire reculer le point de "fermeture" (*) de la glaçure. Les coûts de telles glaçures sont ainsi parmi les plus bas, les matières crues étant bien meilleur marché que les frittes.
 
(*) Point de fermeture d'une glaçure : température à partir de laquelle l'état de la glaçure empêche le passage des gaz du tesson
 
Pour les faïences et les tessons poreux on recherchera des frittes à point de ramollissement élevé (> 800°C). Ces frittes sont potassiques, elles contiennent un taux de zinc et de calcium élevé, peu ou pas de bore, un peu de magnésium.
 
Voici un tableau des compositions de frittes à point de ramollissement > à 800°C :
 
 
Oxyde
Fourchette du % en masse
Fourchette en moles (formule de Seger)
SiO2
58 à 66
2.100 à 2.750
B2O3
0 à 2
0 à 0.170
Al2O3
4 à 9
0.090 à 0.190
K2O
2 à 6
0.050 à 0.140
Na2O
0 à 1
0 à 0.040
CaO
10 à 15
0.420 à 0.640
MgO
1 à 3
0.060 à 0.180
ZnO
9 à 11
0.200 à 0.300
 
Ces frittes spécifiques ne sont pas toujours faciles à trouver au détail, elles ne sont pas courantes dans les catalogues de produits usuels pour la céramique. En s'adressant directement aux fabricants un approvisionnement par quantité minima est souvent possible.
 
 
Pour toutes les glaçures : l'application par pulvérisation favorisera un point de fermeture plus élevé que par trempage ou aspersion (Voir l'article sur la tension superficielle et l'émaillage : http://pagesperso-orange.fr/smart2000/tension_superficielle_email.htm.
 
 
 
glaçure cristalline rouge bullée
 
Exemple de bullage dans une glaçure cristalline mate
cuite en monocuisson sur tesson de porcelaine
(C'est le cas d'une pâte à porcelaine feldspathique qui largue des
gaz au dessus de 1150°C lorsque la glaçure est fondue)
 
 
 
 
cuisson céramique, monoxyde de carbone, carbone, matière organique, réduction atmosphère, mesure atmosphère, température, raku, oxydes métalliques, porcelaine

 
 
B) La vitesse de montée en température doit être bien dosée pour que les gaz du tesson ne s'échappent pas trop brutalement.
 
Départ de l'eau :  La montée à 300°C doit être lente pour faciliter le départ de l'eau résiduelle (c'est dans cet intervalle que les risques d'explosion des pièces sont importants). Les produits doivent être parfaitement secs à l'enfournement. Une montée à 100°C par heure convient dans beaucoup de cas.
 
 
Décomposition du carbonate de calcium (craie, marbre) : En présence d'air, à partir de 800°C le carbonate de calcium se décompose en oxyde de calcium, CaO (chaux vive) et gaz carbonique, CO2.
 
CaCO3 (800-900°C) ==> CaO + CO2, Cette réaction est normalement achevée à 900°C.
 
Au delà de 900°C l'oxyde de calcium se combine avec les éléments du tesson (la silice, l'alumine, le fer...) et forme des silicates, des aluminates, des silico-aluminates, des ferrites....
 
Le volume de gaz carbonique produit est très élevé, 100g de craie produisent environ 44g de caz carbonique. Ces 44g de gaz carbonique à la température de 900°C et à la pression atmosphérique ont un volume de 218 litres... Il est donc impératif qu'un tesson émaillé renfermant de la craie ou de la dolomie soit cuit lentement entre 800°C et 900° et que la glaçure soit fermée au delà de cette plage de la cuisson (Cas des faiënces calcaires, pouvant contenir jusqu'à 20-25% de craie ou de dolomie).
 
La décomposition par combustion des produits carbonés (Charbon des ball clay, matières organiques) et des sulfures a lieu à partir de 700-850°C, produisant du gaz carbonique et du dioxyde de soufre. Pour que cette réaction soit rapide et complète il convient de bien oxygèner le four avec un excès d'air convenable (ouvrir la cheminée du four). Dans le cas contraire une partie du carbone et des sulfures incomplètement oxydés subsista et pourra continuer à se décomposer à plus haute température après la fusion de la glaçure.  
 
Cette plage de température devra être passée avec prudence. Un palier assez long vers 850-900°C suivi d'une montée lente à 1000-1050 permettra d'évacuer les gaz en limitant les dommages à la couche de glaçure.
Pour les glaçures trop précoces à la fusion ce type de précaution peut s'avèrer inutile, car une glaçure fondue offre peut de résistance à la pression des gaz du tesson. Généralement les gaz s'échappent du tesson par bouffées, en empreintant les passages les plus faciles (les pores les plus gros, les petites fissures...) et font irruption à travers la glaçure fondue en produisant des bulles. Plus le dégagement de gaz est violent et plus les bulles sont grosses.
 
C) Les pâtes doivent contenir le moins possible de composés produisant des gaz à haute température (pour les températures >> 1000°C)
 
 
 
Pâte de grès de St-Amand boursouflée par une cuisson trop rapide et un dégazage difficile
 
 
Les pâtes qui contiennent des argiles chargées en matières organiques du type " ball clay " présenteront plus de difficultés en monocuisson. Leur haute teneur en carbone (morceaux de charbon ou matières organiques) et parfois en soufre (sulfures) en fait des tessons qui rejettent beaucoup de gaz, et l'extrême finesse des particules argileuses qui les composent constituent un tissu serré qui freine le passage des gaz, ce qui peut conduire à des dégagements spasmodiques de gaz avec risque de bulles.  
 
Des dégraissants (chamotte, silice) ajoutés à la terre facilitent aussi le passage des gaz à travers le tesson lors de la cuisson.
 
PERTE au FEU :
 
Pour avoir une idée des transformations gazeuses se produisant pendant la cuisson d’un produit, on peut calculer sa perte au feu. C’est à dire connaître sa perte de masse en pesant un échantillon avant et après cuisson. Le calcul s’écrit comme suit :
 
PF % = 100 * ((poids avant – poids après) / poids avant)
 
Note : La perte de poids indiquée est toutefois approximative car il peut aussi y avoir des réactions faisant reprendre du poids à l’échantillon lors de la cuisson. Un métal tel que le fer initialement présent sous forme d’oxyde ferreux, FeO, peut se transformer tout ou partiellement en oxyde ferrique ou hématite, Fe2O3, sous l’effet de la chaleur et de l’atmosphère oxydante.
La prise de poids de FeO lors de sa transformation en Fe2O3 est de l’ordre de 11%. Pour les terres contenant peu de fer cela est souvent assez négligeable.
 
Il peut être intéressant de faire une ou plusieurs cuissons à des températures intermédiaires pour mieux décomposer la perte de masse du produit.
Par exemple : si la température de fermeture de la glaçure est connue, il peut être très instructif de connaître la perte de masse avant et après cette température, afin de pouvoir mieux déterminer de la courbe de cuisson (vitesse de montée, nécessité d’un palier de dégazage, etc…).
 
 
D) L'atmosphère de cuisson doit être très oxydante j'usqu'à 1000°C :
 
La présence d'oxygène dans l'enceinte du four par une bonne aération est indispensable pendant toute la montée en température jusqu'à 1000°C. Elle permet la combustion rapide des minerais sulfurés et carbonés et une décomposition plus précoce des carbonates.
 
Quelques exemples :
 
Combustion des produits carbonés : En dessous de 1000°C, la combustion du carbone ne produit que du gaz carbonique, CO2. Le monoxyde de carbone CO ne pouvant se former dans ces conditions de température. En cas de manque d'air il subsistera donc du carbone pur, on peut dans ces conditions avoir une réaction du type suivant :
 
2C + O2 ==> C + CO2
 
Les composés carbonés ayant une température d'inflammation inférieure ou égale à 700°C, Il faut veiller à une bonne oxygénation des produits pendant la montée à partir de cette température. Dans le cas contraire du carbone imbrûlé pourrait subsister et finir par se combiner à l'oxygène des autres matières par effet réducteur à plus haute température bien après la fusion de la glaçure, ce qui produirait des bulles dans celle-ci.
 
Décomposition de la dolomie (carbonate de calcium et de magnésium, CaMg(CO3)2) : La dolomie est un carbonate double de calcium et de magnésium. Sa décomposition varie selon l'atmosphère de cuisson. (Voir ce lien : http://www.rigaku.com/downloads/journal/Vol5.2.1988/engler.pdf)
 
Décomposition de la dolomie dans l'air : La décomposition commence vers 700°C.
- Entre 700°C et 750°C elle est du type suivant : 2 CaMg(CO3)2 ==> CaCO3 + CaO + 2MgO + 3CO2
- Au delà de 750°C et jusqu'à 790°C elle permet simultanément ces deux réactions :
1) CaMg(CO3)2 ==> CaO + MgO + 2CO2
2) CaCO3 ==> CaO + CO2
à 790°C la décomposition est terminée.
 
Décomposition en atmosphère saturée en CO2 (Cas de présence de matières carbonées et manque d'air) : La décomposition commence à 550°C avec formation de CaCO3 et MgO.
- Entre 550°C et 765°C la réaction est la suivante : CaMg(CO3)2 ==> CaCO3 + MgO + CO2
- Au delà de 765°C et jusqu'à 910°C, la réaction est stable, CaCO3 ne se décompose pas.
- De 910°C à 960°C CaCO3 se décompose en CaO et CO2.
à 960°C la décomposition est terminée.
 
Ici on mesure pleinement l'influence de l'atmosphère du four sur la décomposition de la dolomie. En présence d'air la décomposition est terminée à 790°C et en présence de gaz carbonique elle s'achève seulement vers 960°C... D'où l'absolue nécessité d'oxygéner le four lors de la cuisson de pâtes dolomitiques, et encore plus s'il y a présence de matières carbonées.
 
Combustion des minerais sulfurés : La décomposition de la grande majorité des minerais sulfurés dans l'air est complète à partir de 900°C, en manque d'air elle est retardée et se termine à plus haute température. (ex : La Pyrite, sulfure de fer, se décompose dans l'air à partir de 500°C. La décomposition est entièrement achevée à 800°C).

La réaction de grillage dans l'air de la pyrite donne la réaction suivante : 2FeS2 + 7O2 ==> Fe2O3 + 4SO2 . La combustion de la pyrite produit de l'oxyde ferrique (Fe2O3) et du dioxyde de soufre (SO2) sous forme de gaz.

Le retard de cette réaction entraine un dégagement gazeux de SO2 à plus haute température avec risque de bulles si la glaçure a commencé à fondre.
 
E) Le tesson sec doit avoir une bonne cohésion et permettre l'émaillage sans se rompre ou s'abîmer sous l'effet de l'humidité.

Les pâtes peuvent être améliorées par l'ajout de dégraissants tels que chamotte et/ou silice, ainsi elles supporteront mieux l'humidification due à l'émaillage.

 
Il est aussi possible d'utiliser des glaçures à base de colles et de liants organo-minéraux (Peptapon 9, Déramite…) pour freiner la pénétration de l'eau de la glaçure dans le tesson cru sec. Il faut privilégier l'émaillage sur tesson sec plutôt que sur tesson vert (dureté cuir), cela demande moins d'adjuvants pour faciliter le recouvrement et donner de la cohésion à la glaçure. Sur un tesson sec, la porosité est importante et l'application d'une glaçure encollée ou contenant des liants organo-minéraux donnera les meilleurs résultats.
 
F) L'épaisseur des pièces doit être régulière pour que la maturité de cuisson soit uniforme et que les plages de dégazage soient les plus étroites possible (Une partie plus épaisse mettra plus de temps à larguer ses gaz).
 
 

 

CONCLUSIONS / AVANTAGES et INCONVÉNIENTS :
 
Les avantages de la monocuisson :
 
L'économie d'énergie
Gain de temps au niveau des manutentions du biscuit (enfournement, défournement, stockage)
Pas de risque de pollution des biscuits stockés
Économie de place pour travailler
Moins de stock
Délai de production plus court
Visibilité plus directe sur la qualité du travail accompli
 
Les inconvénients de la monocuisson :
 
Fragilité des pièces avant cuisson, risque de casse lors des manipulations
Difficultés pour désémailler sans abîmer le tesson cru
Retouches difficiles
Risque de bullage de la glaçure ou de destruction du tesson en cas de vitesse de cuisson inapropriée ou de glaçure à fusion trop précoce.
Un engobe alumineux sur les plaques réfractaires est indispensable pour éviter les problèmes de collage.
 
 
 
cuisson céramique, monoxyde de carbone, carbone, matière organique, réduction atmosphère, mesure atmosphère, température, raku, oxydes métalliques, porcelaine

 
 
 
 
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