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- Sur
cette page : Monocuisson, article technologique de
Smart.Conseil
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MONOCUISSON
par
Smart.Conseil
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cuisson
céramique, monoxyde de carbone,
réduction atmosphère, mesure
atmosphère, température, raku,
oxydes métalliques, porcelaine
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- Monocuisson
: Once firing (Eng)
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- 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.
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- Technique
2 ou 3 en 1 :
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- 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.
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- 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".
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- 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.
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- 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.
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- 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.
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- 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).
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- 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.
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- ABC...
de la monocuisson :
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- 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).
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- 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.
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- (*)
Point de fermeture d'une glaçure :
température à partir de laquelle
l'état de la glaçure empêche le
passage des gaz du tesson
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- 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.
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- Voici
un tableau des compositions de frittes à point
de ramollissement > à 800°C
:
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Oxyde
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Fourchette
du % en masse
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Fourchette
en moles (formule de
Seger)
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SiO2
|
58
à 66
|
2.100
à 2.750
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B2O3
|
0
à 2
|
0
à 0.170
|
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Al2O3
|
4
à 9
|
0.090
à 0.190
|
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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
|
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- 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.
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- 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.
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- 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)
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cuisson
céramique, monoxyde de carbone,
carbone, matière organique,
réduction atmosphère, mesure
atmosphère, température, raku,
oxydes métalliques, porcelaine
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- B)
La vitesse de montée en température doit
être bien dosée pour que les gaz du
tesson ne s'échappent pas trop
brutalement.
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- 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.
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- 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.
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- CaCO3
(800-900°C) ==> CaO + CO2, Cette
réaction est normalement achevée
à 900°C.
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- 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).
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- 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.
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- C)
Les pâtes doivent contenir le moins possible de
composés produisant des gaz à haute
température (pour les températures
>> 1000°C)
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 -
- 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.
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- Des
dégraissants (chamotte, silice) ajoutés
à la terre facilitent aussi le passage des gaz
à travers le tesson lors de la cuisson.
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- 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.
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- 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)
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- 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.
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- 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).
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-
- 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.
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cuisson
céramique, monoxyde de carbone,
carbone, matière organique,
réduction atmosphère, mesure
atmosphère, température, raku,
oxydes métalliques, porcelaine
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