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Comment fabriquer des briques réfractaires de qualité supérieure à partir de résidus de charbon de qualité inférieure ?
Le recyclage des résidus de charbon de qualité inférieure pour la fabrication de briques cuites constitue une solution d'économie circulaire rentable pour les régions minières. Cependant, de nombreux projets de briqueteries neuves connaissent d'importants problèmes de qualité, car les opérateurs négligent l'évaluation des matières premières et utilisent des équipements ou des procédés de cuisson inadaptés. Pour transformer les résidus de charbon de faible qualité en briques pleines, briques creuses et blocs creux conformes aux normes, des contrôles techniques systématiques doivent être mis en œuvre à toutes les étapes : essais des matières premières, cuisson par combustion interne, formage par extrusion, configuration de séchage et de cuisson, et élimination des défauts.
La caractérisation des matières premières est une étape primordiale avant tout investissement dans une ligne de production de briques cuites entièrement automatisée . Des analyses chimiques et physiques complètes, ainsi que des essais thermiques de frittage, doivent être réalisés sur les échantillons de résidus de charbon. Ces analyses portent sur la composition chimique, le pouvoir calorifique, l'indice de plasticité, le coefficient de sensibilité au séchage, la granulométrie, la dureté, le retrait linéaire au séchage et à la cuisson, la plage de températures de frittage, l'absorption d'eau après cuisson, le test d'éclatement à la chaux et le test d'efflorescence. Une analyse de la composition minérale est effectuée si nécessaire.
Seules des données d'essais permettent de valider l'aptitude des résidus de charbon à la fabrication de briques, de déterminer les catégories de briques cibles et d'orienter le choix du système de préparation des matières premières , des machines de formage et du four tunnel . Il ne faut jamais lancer la construction d'une briqueterie sur la seule base d'un jugement empirique.
Remarques importantes concernant les essais d'indice de plasticité : broyer tous les échantillons à une taille inférieure à 1 mm et utiliser un appareil de mesure combiné des limites de plasticité. La dimension des particules influe considérablement sur la plasticité. Par exemple, un échantillon de schiste broyé à moins de 1 mm présente un indice de plasticité de 7,2 ; le même échantillon broyé à moins de 0,5 mm atteint un indice de plasticité de 11,2. La taille des particules utilisées en laboratoire (1 mm) correspond à la taille cible de production réelle (2 mm). Les particules plus grosses risquent d'obstruer le cône de test et de fausser les résultats.
Il n'existe pas de norme nationale spécifique pour la mesure du pouvoir calorifique des résidus de charbon. L'industrie applique uniformément la norme GB/T 213-2003, Méthode d'essai pour le pouvoir calorifique du charbon . Il est déconseillé d'utiliser des formules de calcul industrielles empiriques, inadaptées aux résidus de charbon.
La fabrication de briques cuites à partir de résidus de charbon repose sur un procédé de combustion interne. Le pouvoir calorifique de ces résidus détermine en grande partie le processus de production. Lorsque ce pouvoir calorifique atteint environ 450 × 4,17 kJ/kg, la matière première composée exclusivement de résidus de charbon permet une production de briques entièrement par combustion interne, sans ajout de combustible. Le pouvoir calorifique maximal admissible pour une matière première composée à 100 % de résidus de charbon est de 600 × 4,17 kJ/kg.
En cas de surcombustion interne, il est nécessaire de modifier les paramètres de cuisson et d'allonger la durée de cuisson. Un four tunnel sur mesure, plus long, est requis, équipé de portes à double paroi à l'entrée et à la sortie. Des sous-systèmes auxiliaires, incluant la récupération de la chaleur résiduelle, le réallumage des gaz de combustion, le réglage du registre des gaz de combustion, un circuit d'air de circulation, un système d'aide à la combustion à refroidissement rapide, une alimentation en air forcé externe, un refroidissement équilibré du fond du four et l'évacuation de la chaleur excédentaire, doivent être installés. Ces systèmes permettent une combustion lente des combustibles résiduels à l'intérieur de la brique crue , garantissant des produits finis d'une résistance à la compression supérieure à MU20.
Si le pouvoir calorifique des résidus de charbon est insuffisant, incorporez-y du charbon brut ou du charbon moyen approprié. L'ajout de combustible hors du four est déconseillé en raison des émissions de particules plus importantes. Si le pouvoir calorifique est excessivement élevé, mélangez-y des matériaux incombustibles pour la fabrication de briques, tels que du schiste, de l'argile ou des résidus de charbon brûlés. En l'absence de matériaux de mélange disponibles, procédez à un tamisage, une séparation par air, une flottation ou un traitement de décarbonatation à basse température, et ajustez le pouvoir calorifique global aux alentours de 450 × 4,17 kJ/kg.
La plupart des stériles de charbon de qualité inférieure se présentent sous forme de roche massive à faible plasticité (à l'exception des minerais riches en montmorillonite), ce qui constitue un obstacle au formage par extrusion humide. Cinq solutions techniques éprouvées permettent de surmonter les difficultés liées à la faible plasticité :
- Optimiser la finesse de concassage : concasser la matière première à moins de 2 mm pour les briques pleines et creuses standard ; à moins de 1 mm pour les produits à parois minces et à porosité élevée. Reconcasser les particules surdimensionnées à 0,5 mm et les remélanger afin d’optimiser la distribution granulométrique et d’améliorer la plasticité globale.
- Adoptez une extrudeuse sous vide robuste pour extrusion dure. Cette extrudeuse moderne pour la fabrication de briques offre une pression d'extrusion supérieure à 4,0 MPa, permettant d'obtenir des briques avec un taux d'humidité aussi bas que 13 %. Elle peut produire des briques crues de qualité, même à partir de matières premières dont l'indice de plasticité chute à 5.
- Incorporez des additifs à haute plasticité comme du limon, du schiste ou de l'argile. Assurez un dosage précis et un mélange homogène. Pour les matériaux présentant d'importantes différences de densité, utilisez un broyeur à cylindres et un malaxeur à disques pour un mélange intensif, en complément des mélangeurs conventionnels.
- Équiper le mélangeur de boue d'un système de chauffage à la vapeur avant l'extrusion sous vide. La vapeur peut être fournie par une chaudière de récupération de chaleur reliée au four tunnel . La boue traitée à la vapeur gagne en plasticité, réduit la charge de l'extrudeuse et raccourcit le cycle de séchage de la pâte crue.
- Mettre en œuvre un double affinage sous vide de la boue. La boue subit un premier malaxage sous vide dans un malaxeur sous vide avant d'entrer dans l'extrudeuse principale à briques. Le dégazage en plusieurs étapes améliore la plasticité de la boue, augmente la densité de la pâte crue et améliore la résistance mécanique et la qualité de surface des briques humides.
La cuisson en une seule étape nécessite l'empilement de plusieurs couches de briques crues sur les wagons du four, ce qui a tendance à produire des marques de pression noires sur les surfaces de contact. Outre le procédé de cuisson lente à basse température, il est conseillé d'étaler une fine couche de sable sur chaque brique encore humide afin de favoriser la circulation d'air entre les couches. On peut également opter pour un empilement à plat plutôt que vertical, de sorte que les marques de pression apparaissent sur les surfaces de coupe et n'affectent pas les faces visibles des briques.
Les résidus de charbon de qualité inférieure contiennent des composants minéraux nocifs qui déclenchent des explosions de chaux et des efflorescences.
- L'éclatement de la chaux est dû aux impuretés de calcite et de calcaire. Lors de la cuisson, ces impuretés se transforment en chaux vive (CaO). Après la sortie du four, la chaux vive absorbe l'humidité ambiante et se transforme en chaux éteinte, provoquant une forte expansion volumique et la destruction de la structure de la brique. Le broyage des particules de matières premières à une granulométrie inférieure à 2 mm et l'humidification des briques chaudes, fraîchement sorties du four, permettent d'éviter efficacement ce phénomène.
- L'efflorescence est due à la présence de sels solubles, tels que le sulfate de magnésium et le sulfate de sodium, formés lors de la cuisson. Ces sels migrent avec l'eau à l'intérieur des briques et précipitent sous forme de poudre cristalline blanche à leur surface après évaporation de l'eau. Améliorer la finesse des matières premières et prolonger la durée de cuisson et de maintien à la chaleur permet de transformer les sels solubles en silicates insolubles dans l'eau et ainsi de limiter l'efflorescence.
La section transversale à cœur noir est typique des briques de charbon à combustion interne. Deux causes principales expliquent ce phénomène : une température et un temps de cuisson insuffisants, entraînant une combustion interne incomplète ; et une montée en température trop rapide, provoquant un frittage superficiel prématuré et une réduction par déficit d’oxygène à l’intérieur des briques. Il convient de réguler la pente de montée en température et de prolonger la durée de cuisson à basse température afin d’assurer une pénétration suffisante d’oxygène dans les briques crues, de réduire le nombre de briques à cœur noir surcuites et d’éliminer les défauts de sous-cuisson.
Pour les résidus de charbon de faible qualité présentant des caractéristiques chimiques, physiques et minérales uniques, des solutions de traitement personnalisées peuvent être déployées pour fabriquer des briques cuites de haute qualité.