Brevet FR2235892A1 — publié le 19750131

La présente invention a pour objet un procédé et une installation perfectionnes pour la production de plâtres à partir d'un constituant unique consistant en sulfate de calcium hydraté ou gypse brut (SO4Ca,2H2O) synthétique ou naturel. On sait que les plâtres sont fourrés de mélanges en proportions définies de sulfate de calcium hemi-hydraté dit serri-hydrate (SO4Ca,H2O), de sulfate de calcium anhydre soluble dit soluble (SO4Ca,H2Q) et de sulfate de calcium anhydre dit surcuit (SO*Ca), contenant en outre éventuellement certains additifs bien connus de l'homme de l'art. Les procédés et installations classiques de production de plâtre se composent de plusieurs outils de cuisson adaptés aux produits à fabriquer et de silos dans lesquels sont stockés -les constituants dont le mélange peut conduire aux différents types de plâtres recherchés. Ainsi, le semi-hydrate, étant donné la zone étroite et basse de température à laquelle il doit être cuit, ne peut être obtenu pur que dans des fours à chauffage indirect, tels marmite, fours Beau, vis holoflite, etc.. De même, le surcuit doit être obtenu à plus haute température et on l'obtient en général par cuisson à feu nu, et en particulier dans des fours rotatifs. ue tels fours employés à des températures plus basses conduisent à des mélanges soluble/surcuit ou semi-hydrate/soluble. En fait, dans les procédés de fabrication traditionnels, on élabore des melanges riches en semi-hydrates et du surcuit en portant la matière premiere, c'est-à-dire le gypse,dans les conditions respectives des zones semi-hydrate et surcuit du diagramme d'équilibre des phases du sulfate de cal ciu pression de vapeur d'eau en fonction de la température. Pour chacune des opérations, on joue essentiellement sur la température et le temps de cuisson dans des fours spécifiques des produits fabriqués. La présente invention a pour but d'obvier aux inconvénients des procédes et installations connus; elle a pour objet un procédé et une installation permettant d'élaborer n 'importe quel type de plâtre et ne nécessitant qu'un seul type de four. Le procédé et l'installation selon l'invention sont très cohérents et peuvent être aisément automatisés. La présente invention pour objet un procédé de production de plâtre à partir de sulfate de calcium hydraté ou gypse brut naturel ou synthétique dans lequel on élabore un mélange de semi-hydrate et de soluble très riche en soluble, par traitement, dans un four unique, puis fait subir à différentes fractionsdu mélange obtenu maintenu à la température de sortie du four, un traitement dans un ou plusieurs silos de manière à obtenir, en jouant essentiellement sur l'hygrométrie, les trois constituants principaux du plâtre, à savoir semi-hydrate, -soluble et surcuit, le semi-hydrate et le surcuit pouvant être obtenus sous la forme d'un mélange, et enfin combine les trois constituants, en proportions définies, éventuellement avec des additifs usuels, correspondant à la teneur du plâtre recherché en les trois consti-tuants principaux. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le mélange très riche en soluble est obtenu par traitement du gypse brut à une température comprise entre 1200 et 350 C et -de preférence de l'ordre de 1500 à 17U C. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, le mélange très riche en soluble contient-jusqu'à 100% en poids de soluble. De préférence, le mélange très riche en sulfate de calcium anhydre solubleest obtenu par traitement du gypse brut dans un four continu simple tel par exemple un broyeur cuiseur, ou un cuiseur à cyclône. Selon une forme d'exécution de l'invention, une des fractions du mélange tres riche en sulfate de calcium anhydre soluble est traitée par de l'air chaud à basse hygrométrie, à une température n'entraînant pas une diminution de la température de sortie du four, cet air à basse hygrométrie étant injecté à une température supérieure à 1600C et de préférence de l'ordre de 1800 à 190 C. De préférence, la pression partielle d'eau de l'air à basse hygrometrie est inferieure à 20 Torrs. Ce traitement par de l'air à basse hygrométrie permet la transformation du semihydrate en soluble. Il est évi-dent que le degré hygrométrique de l'air injecté définit la vitesse de transformation. La durée de réaction est de l'ordre de 5 à- 10 heures pour atteindre 100% de soluble. La réaction étant endothermique, le produit est obtenu à une température inférieure à la température initiale à laquelle il est stable;il faut par conséquent éviter toute pénetration parasite de vapeur d'eau dans le silo. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, une autre fraction du mélange très riche en sulfate de calcium anhydre soluble est traitée par de la vapeur d'eau à une température de l'ordre de la température de sortie du four, et de préférence de'l'ordre de 150 à 1700C sous une pression de l'ordre de 1 bar. On obtient ainsi le surcuit. La chaleur due à l'exothermicité de la réaction de transformation en surcuit ne peut être que -bénéfique car l'augmentation de température qui en résulte entraîne une accélération de la transformation. Selon une autre forme encore d'exécution de l'invention, le mélange très riche en soluble est divisé en trois fractions, une première fraction qui est maintenue à la température de sortie du four, une deuxième fraction qui subit le traitement précité par de l'air chaud à basse hygrométrie en vue de l'obtention de soluble et une troisième fraction qui subit le traitement précite par de la vapeur d'eau en vue de l'obtention de surcuit, et les trois fractions sont mélangées en des proportions définies, éventuellement avec des additifs usuels, correspondant à la teneur du plâtre recherché en les trois constituants principaux. Selon encore une autre forme d'exécution de l'invention, la première fraction du mélange très riche en soluble est traitée par de l'air chaud et de l'eau, à une température n'entraînant pas une élévation de la température de sortie du four, l'air étant injecté de préférence à une température comprise entre 700 et 1300C et plus particulièrement de T'ordre de 90 à 100 C. L'eau ainsi apportée permet une réversion du soluble en semi-hydrate. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'eau est amenée sous la forme d'air saturé d'humidité. La vitesse de réaction est d'autant plus élevée que l'air contient plus d'eau et qu'il est plus chaud; il est toutefois préférable d'opérer à des températures de l'ordre de 90 à 100 C, car, du fait du caractère exothermique de la réaction, les vitesses de réaction grandes au début ont tendance à diminuer rapidement pour se stabiTiser à des valeurs assez faibles. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, l'eau est amenée par pulvérisation. En fait, l'eau est pulvérisée directement à l'intérieur de la masse traitee dans laquelle par le bas est injecté de l'air ayant une hygrométrie quelconque. Il est ainsi possible d'opérer à température choisie et constante et d'obtenir la vapori sation de l'eau introduite grâce à l'utilisation de la chaleur de réaction. On peut régler la vitesse de réversion entre 0 et plusieurs centaines de tonnes/heure en jouant sur le débit d'air soufflé et sur le débit d'eau amenée. Ce réglage est possible car la quantité d'eau sous forme vapeur entraînée par l'air injecté dépend de son débit et se soustrait de l'eau de réaction. Suivant un autre mode encore de réalisation de l'invention, l'eau est amenée en partie sous la forme d'air saturé en humidité et en partie par pulvérisation. s L'utilisation conjointe des deux procédés donne une grande souplesse à ce mode de réalisation de l'invention. En effet, les proportions de mélange étant fixées, on peut traiter le mélange brut rapidement Jusqu'au voisinage de la composition désirée par le procédé d'injection par pulvérisation, puis ajuster, si besoin est, à l'aide du procédé d'injection d'air saturé en humidité, dont l'effet est moins rapide et qui est donc plus facile à contrôler avec précision. L'avantage de l'i-njection d'eau par pulvérisation est que la fin de la réaction est visible sans ambiguité grâce à la forte et brusque augmentation de l'hygro- métrie de l'air rejeté ainsi que par la baisse de température dans le silo. Selon une autre forme encore d'exécution de l'invention, le mélange très riche en soluble est divisé en trois fractions, une premiere fraction qui subit le traitement précité par de l'air chaud et de l'veau en vue de l'obtention de semi nydrate, une deuxième fraction qui subit le traitement précité par de T'air chaud à basse hygrometrie en vue de l'obtention de soluble et une troisieme fraction qui subit le traitement précité par de la vapeur d'eau en vue de l'obtention de surcuit, et les trois fractions sont mélangées en des proportions définies, éventuellement avec des additifs usuels, correspondant à la teneur du plâtre recherché en les trois constituants principaux. La présente invention a egalement pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé précite. Suivant une forme d'exécution de l'invention, l'installation comporte un four, de préférence un four continu simple tel un broyeur-cuiseur, un, deux ou trois silos du type silos d'homogénéisation des cimenteries reliés chacun par leur sommet au four précité, des moyens d'injection d'un fluide gazeux ou liquide à la base desdits silos, lesdits moyens consistant par exemple en des turbines ou tuyères, des moyens pour le chauffage, le refroidissement, la dessication ou l'humidification de l'un ou de l'autre desdits fluides préalablement à leur injection, un atelier ou zone de-mélange des constituants retirés de chacun des silos, des moyens pour l'amenée de ces constituants et d'additifs éventuels dans ledit atelier de mélange, des moyens pour régler le débit d'entrée des fractions solides et des fluides gazeux ou liquides dans lesdits silos, et enfin des moyens pour régler le débit d'entree des constituants obtenus et des additifs éventuels dans ledit atelier de mélange. De préférence, les moyens pour régler les débits sont asservis à des moyens de régulation programmés en fonction de la destination et de la qualité du plâtre que l'on fabrique. Suivant une forme d'exécution de l'invention, un des silos contient des moyens permettant l'introduction et la pulvérisation d'eau, lesdits moyens étant de préférence situés au voisinage du centre du silo. D'autres buts et avantages de la presente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et à ltexamen des figures jointes, donnees dans un but non limitatif, et qui qui'représentent plusieurs modes dè réali- sation de l'invention. Sur ces dessins la figure 1 représente le diagramme d'équilibre des phases du sulfate de calcium ; la figure 2 représente le schéma d'une installation de production de plâtre. Le diagramme représenté sur la figure 1 présente les différentes phases hydratées ou anhydres du sulfate de calcium dans le diagramme pression de vapeur d'eau/temperature. Dans les procédés de fabrication traditionnels, on part d'un gypse (point A du diagramme) pour élaborer des mélanges riches en semi-hydrates ou en soluble et du surcuit en portant la matière première dans les conditions respectives des zones B, C et D, et en jouant pour chacune des opérations sur la température et le temps de cuisson dans des fours spécifiques des produits fabriques. Dans le procédé selon l'invention, on élabore un mélange très riche en soluble (zone C) dans un four unique puis traite le mélange obtenu en silo de manière, en jouant essentiellement sur l'hygrométrie, à préparer le semi-hydrate, le soluble et le surcuit séparément ou en mélange dans les zones B, E et G. La figure 2 représente une installation pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit. Cette installation comporte un broyeur-cuiseur 1, trois silos 2, 3 et 4 et un atelier de mélange 5. Elle comporte en outre une conduite 7 et des conduites 27, 37 et 47 reliant le four I à chacun des silos, des conduites 25, 35 et 45 reliant les silos 2, 3 et 4 à l'atelier 5; elle comporte en outre des silos 6, 6' et 6" contenant des additifs connus susceptibles d'être amenés par les conduites 68, 68' et 68" dans la conduite 8 puis dans l'atelier 5. Le gypse est introduit dans le four I par la conduite 9 et le plâtre obtenu est retiré de l'atelier 5 par la conduite 10. Sur les conduites 25, 35, 45, 68, 68', et 68" sont prévues des vannes 125, 1355 145, 168, 168' et 168" respectivement. Des moyens de programmation 15 permettent de commander et de contrôler le débit des canalisations 25, 35, 45, 68, 68' et 68" et donc des vannes 125, 135, 145, 168, 168' et 168't en fonction de la destination et de la qualité du plâtre que l'on cherche à obtenir. Des conduites 12 et 13, 12' et 13', 12" et 13" sont prévues pour amener respectivement à la base des silos 2 et 3, l'air chaud saturé d'hunndité, l'air chaud à basse hygrométrie ou l'air atmosphérique. Deux conduites 72 et 73 permettent l'introduction de l'eau à l'état liquide qui est destinée à être pulvérisée dans les silos 2 et 3. En fait, la présence simultanée des conduites 72 et 73 d'une part, et 12' et 13' d'autre part, n'est pas nécessaire, car ainsi qu'on l'a indiqué ci-dessus, l'eau nécessaire à la réversion peut être anenée sous la forme d'air saturé d'humidité (par les conduites 12' et 13') et/ou amenée par pulvérisation d'eau liquide. Une conduite 14 est en outre prévue pour l'arrivée de la vapeur d'eau surchauffée et a une pression de I bar à la base du silo 4. Deux mélanges de semi-nydrate et de soluble (10 et 20% de soluble) ont eté fabriqués selon le procédé décrit. Leurs propriétés sont comparées à celles des produits obtenus par les moyens classiques et issus du même gypse naturel. Sur le tableau on remarque que les produits préparés selon l'invention sont au moins équivalents aux produits obtenus par les moyens classiques, si ce n'est légèrement supérieurs. TABLEAU Propriétés des semi-hydrates Procédées traditionnels Procédé de l'invention Semi-hydrate Semi-hydrate Semi -hydrate Semi-hydrate industriel industriel 0% de soluble + 10% soluble @ @@@ @@@@@@@ @@@ @@@@@@@ DE 14'30" 11' 11' 11' Temps de @@ 15'30" 12'30" 12' 12'30" prise FE 19' 17' 16'30" 16' E/P= 1,0 FP 35' 33' 32' 31' 2 heures RF/RC 15/31 17/36 18/38 Résis tan ces 2 heures bars sec 29/69 33/76 37/86 E/P=0,8 Un surcuit a été préparé par traitement sous I bar de vapeur d'eau et comparé avec un surcuit industriel issu du même gypse. Tous deux contiennent environ 5% desemi-hydrate (SH) résiduel. Le tableau II montre que les vitesses d'hydratation du surcuit obtenu selon l 'in- vention sont plus élevées que celles des surcuit traditionnels; il en est de même de sa surface spécifique. Le surcuit obtenu selon l'invention supporte aussi très bien l'accélération au sulfate de potassium. L'étude de ce même surcuit en mélange avec du SH dans les proportions de 40%-60% confirme la nervosité et montre en plus que les melanges obtenus sont légèrement plus résistants que ceux obtenus à partir de produits traditionnels. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. Ainsi, dans l'installation représentée, un des silos 2 ou 3 peut être supprimé. En ce cas, la conduite 27 et la conduite 25 ou la conduite 37 et la conduite 35, selon le cas,peuvent être réunies. Dans ce cas, les débits des conduites 35 et 45, et donc des vannes 135 et 145, sont ajustés en fonction de la destination et de la qualité du plâtre recherché et de la teneur en semi-hydrate et soluble du mélange très riche en soluble amené par la conduite 25 et la vanne 125. TABLEAU II Propriétés des surcuits S u r c u i t Surcuit industriel (600 ) 190 - l bar d'eau Surface spécifique 4,5 6,3 Blaine Sans accélérateur +3 /00 de SO4K2 Sans accélérateur +3 /00 de SO4K2 Taux d'hydrata- 2 h 0 0,6 0 1,9 tion du surcuit 1 j 5,4 20,4 11,1 28,3 en % par rapport au point total 2 j 11,4 36,0 20,7 51,7 du produit 3 j 17,5 45,5 29,3 66,5 7 j 35,2 63,8 57,2 69,3 15 j 51,1 69,3 69,5 69,7 Etude du mélange : 60% SH + 40% de surcuit E/P = 0,8 DE 17' 13' Temps de prise FE 23' 18' FP 53' 46' (2 h 6,5/11 7 /13,5 RF/RC (1 j 8,3/12 8 /17 Résistances numide 3 j 10,5/19 11,2/20 bars 7 j 10,5/24 10,8/21 7 j sec 21,5/49 25,5/58 Il est évident également que les deux silos 2 et 3 peuvent être utilisés aux mêmes fins en vue de l'obtention de deux mélanges soluble/semi-hydrate de compositions identiques ou différentes. En jouant sur le débit des conduites 25 et 35, et donc sur les vannes 125 et 135, on peut obtenir les teneurs en semihydrate et en soluble voulues dans le plâtre recherché. Dans le tableau de la page 6 on entend par E/P le rapport eau/plâtre et les abréviations DE, uP, FE et FP ont respectivement pour signification début emploi, début prise, fin emploi, et fin prise. REVENDICATIONS 1.- Procédé de production de plâtre à partir de sulfate de calcium hydraté ou gypse brut naturel ou synthétique, caractérisé en ce que l'on élabore un mélange de semi-hydrate et de soluble très riche en soluble, par traitement, dans un four unique, puis fait subir à différentes fractions de ce mélange, maintenu à la température de sortie du four, un traitement dans un ou plusieurs appareils de manière a obtenir,en jouant essentiellement sur l'hygrométrie, les trois constituants principaux du plâtre, à savoir semi-hydrate, soluble et surcuit, le semi-hydrate et le surcuit pouvant être obtenus sous la forme d'un mélange, et enfin combine les trois constituants, en proportions définies, éventuellement avec des additifs usuels, correspondant à la teneur du plâtre recherché en les trois constituants principaux. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange très riche en soluble est obtenu par traitement du gypse brut à une température comprise entre 1200 et 3500C et de préférence de l'ordre de 1500 à 17ù"C. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le mélange très riche en soluble contient jusqu'à 100% en poids de soluble. 4.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mélange très riche en soluble est obtenu par traitement du gypse brut dans un four continu simple tel par exemple un broyeur-cuiseurou un broyeur à cyclônes. 5.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une des fractions du mélange très riche en soluble est traitée par de l'air chaud à basse hygrométrie, à une température n'entraînant pas une diminution de la température de sortie du four, cet air à basse hYgrométrie étant injecté à une température supérieure à 160 C et de préférence de l'ordre de 1800 à 1900C. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression par tie71e d'eau de l'air à basse hygrométrie est inférieure à 20 Torrs. 7.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une autre fraction du mélange très riche en sulfate de calcium anhydre soluble est traitée par de la vapeur d'eau à une température de l'ordure de la température de sortie du four, et de préférence de l'ordre de 1500 à 1700C sous une pression supérieure à 0,6 bars et plus Particulièrement de l'ordre de 1 bar. 8.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le mélange très riche en soluble est divisé en trois fractions, une première fraction qui est maintenue à la température de sortie du four, une deuxième fraction qui subit le traitement précité par de l'air chaud à basse hygrométrie en vue de 1 'obtention de semi-hydrate et une troisième fraction qui subit le traitement précité par de la vapeur d'eau en vue de l'obtention de surcuit, et les trois fractions sont mélangées en des proportions définies, éventuellement avec des additifs usuels, correspondant à la teneur du plâtre recherché en les trois constituants principaux. 9.- Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la première fraction du mélange très riche en soluble est traitée par de l'air chaud et de l'eau, à une température n'entraînant pas une élévation de la température de sortie du four, I 'air étant injecté de préférence à-une température comprise entre 70" et 1300C et plus particulièrement de l'ordre de 90" à 100"C. 10.- Procédé selon la revendication o, caractérisé en ce qu'une partie de l'eau au moins est apportée sour la forme d'air saturé d'humidité. 11.- Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'une partie de l'eau au moins est amenée par pulvérisation. 12.- Procédé selon une quelconque des revendication 9 à 11, caractérisé en ce que le mélange très riche en soluble est divisé en trois fractions, une première fraction qui su-bit le traitement précité par de l'air chaud et de l'eau en vue de l'élaboration de semi-hydrate, une deuxième fraction qui subit le traitement précité par de l'air chaud à basse hygrométrie en vue de l'obtention de soluble et une troisième fraction qui subit le traitement précjté par de la vapeur d'eau en vue de l'obtention de surcuit, et les trois fractions sont mélangées en des proportions définies, éventuellement avec des additifs usuels, correspondant à la teneur du plâtre recherché en les trois constituants principaux. 13.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 12. 14.- Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte un four , de préférence un four continu simple tel un broyeur-cuiseur ou un cuiseur à cyclones, un, deux ou trois silos du type silos d'homogénéisation des cimenteries reliés chacun par leur sommet au four précité, des moyens d'injection d'un fluide gazeux ou liquide à la base desdits silos, lesdits moyens consistant par exemple en des turbines ou tuyères, des moyens pour le chauffage, le refroidissement, la dessication ou l'humidification de l'un ou de l'autre desdits fluides préalablement à leur injection, un atelier ou zone de mélange des constituants retirés ~de chacun des silos, des moyens pour l'amenee de ces constituants et d'additifs éventuels dans ledit atelier de mélanoe, des moyens pour régler le débit d'entrée des fractions solides et des fluides gazeux ou liquides dans lesdits silos, et enfin des moyens pour régler le débit d'entrée des constituants obtenus et des additifs eventuels dans ledit atelier de mélange. 15.- Installation selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que les moyens pour régler les débits sont asservis à des moyens de-régulation programmés en fonction de la destination et de la qualité du plâtre que l'on fabrique. 16. Installation selon une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisée en ce qu'un des silos au moins contient des moyens permettant l'introduction et la pulvérisation d'eau, lesdits voyers étant de préférence situés au voisinage du centre du silo.