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TERRE CUITE / HEAVY CLAY

100 ANS D'AMÉLIORATIONS TECHNIQUES DES BRIQUETERIES ET TUILERIES

100 YEARS OF TECHNICAL IMPROVEMENTS IN BRICK AND ROOFTILE MAKING

par / by M. Kornmann, consultant technique / Technical Consultant, Grand Lancy (Genève) Suisse / Switzerland

Le secteur des tuiles et briques est passé au fil du temps d'un artisanat céramique à une industrie moderne à forte productivité avec un procédé très efficace, automatisé, informatisé, capable de fabriquer un produit de grande consommation, de qualité, économique et respectueux de l'environnement. Les efforts consentis pour y parvenir ont débouché sur de nouvelles technologies couvrant les différents aspects du procédé de fabrication, de la carrière au four de cuisson, en passant par la préparation du mélange, à la mise en forme et au séchage.

années. Le tableau 1 résume les différentes étapes du développement.

CONNAISSANCE DE L'ARGILE

En 1900, la connaissance de l'argile est très empirique. On est capable de faire une analyse chimique du produit et de vérifier sa plasticité, mais les grandes techniques d'analyse (rayons X, IR...) n'existent pas encore. Durant tout le siècle, la connaissance et la compréhension détaillée des argiles se développeront avec l'arrivée de ces grandes techniques d'analyse, suivies d'une prise en compte industrielle plus tardive. Carrières Une amélioration importante a été observée dans le mode d'exploitation des carrières d'argile. En 1900, la plupart des carrières sont exploitées à la main avec des pioches, des brouettes et des wagonnets. Avant la Guerre de 1914, les Grandes Tuileries de Marseille emploient ainsi plus de 500 terrassiers qui extraient 1 500 m3/j. Quelques rares entreprises utilisent cependant déjà des excavatrices à godets, actionnées à la vapeur. Le moteur thermique va permettre le développement des premiers engins de chantier et des bulldozers, qui apparaissent dans les carrières entre les deux guerres. Après la Seconde Guerre mondiale, l'emploi de pelles hydrauliques va se développer et se généraliser comme mode d'exploitation des carrières d'argile. Le transport de l'argile de la carrière à l'usine s'est lui aussi transformé : au début du siècle, la charrette, tirée par des chevaux ou des boeufs, est le moyen de transport de base. Les Grandes Tuileries de Marseille sont ainsi alimentées par mille tombereaux hippomobiles. On trouve aussi dans des grandes carrières des transporteurs à wagonnets et à câbles, qui vont être remplacés, vers le

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Rooftile and brick manufacture has evolved over the years. It started as a small scale traditional sector which has now become a high production modern industry with a very efficient, automated and computerised process, able to manufacture a high quality, lowcost product in very large quantities, while still respecting the environment. The efforts made to reach this point have involved incorporating new technology throughout the various aspects of the manufacturing process, right from the quarry to the kiln and also in preparing the clay mixture and shaping and drying the products.

L

e procédé de l'industrie de la terre cuite du bâtiment a beaucoup évolué et cet article brosse une histoire rapide de son développement au cours du XXe siècle, en s'appuyant en particulier sur des livres techniques publiés à chaque génération : 1881, 1926, 1956 et sur les articles parus dans l'industrie céramique & verrière et le Bulletin officiel de l'union céramique et chaufournière de France. Les facteurs qui ont poussé à cette transformation ont été les progrès réalisés, en particulier sur les points suivants :

­ le prix de revient, qui a entraîné la concentration des usines et des entreprises avec ses économies d'échelle, et la mécanisation généralisée ; ­ partiellement lié au point précédent, le rendement thermique, d'où les progrès des séchoirs et des fours ; ­ des produits, plus adaptés aux besoins du marché, de meilleure qualité, et capables de supporter la concurrence des autres matériaux de construction ; ­ les conditions de travail et de sécurité ; ­ et, plus récemment, la prise en compte de l'environnement. Cette innovation s'est faite à la fois avec le développement de nouvelles techniques céramiques (séchage artificiel, four tunnel, etc.) et avec l'adaptation pleine de succès de technologies environnantes. La vitesse du développement, assez lente pendant la première moitié du XXe siècle, s'est accélérée ces trente dernières

L'auteur remercie toutes les personnes qui lui ont fourni des informations, en particulier M. J. Mérienne et M. Ph. Hatton, de Ceric The author would like to thank everyone who supplied him with information, in particular Mr J. Mérienne and Mr Ph. Hatton (Ceric group)

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Tableau 1 ­ Un siècle de développement des technologies de terre cuite A century of technological developments in the heavy clay industry

Événements extérieurs External events 1900 Carrière Quarry Préparation Preparation Manuelle Manual Formage brique Brick shaping Formage manuel Manual shaping Formage tuile Rooftile shaping Pressage manuel Manual pressing Manutention mélange Mix handling Brouette, charrette et wagonnet Barrow, trolley and cart Manut. produits Product handling Brouette, charrette et wagonnet Barrow, trolley and cart Séchage Drying Naturel Natural Cuisson Firing Four / Kiln intermittent

Exploit. manuelle + cheval Manual extraction + horse ere 1910 1 Guerre Mondiale / First World War 1920 Électrification Extraction : Electrification manuelle + camions Camions / Trucks Manual + trucks 1930 Bulldozer

Mécanisation Mechanisation

Mouleuses Extruders

Presse revolver Revolver press

Four / Kiln Hoffmann

Changement Désaérage Deairing d'énergie / Motive force change Préparation plus complète More comprehensive preparation Humidification à la vapeur Steam moistening Bandes Convoyeur transporteuses à balancelle Conveying belts Oven rack conveyor Alimentation Automates automatique d'empilage Automatic feed Stacking PLCs Artificiel Artificial

1940 2 Guerre Mondiale / Second World War 1950 Reconstruction Pelle Pétrole économique hydraulique cheap oil et camions Excavator and trucks 1960 Transistors, Gaz de Lacq Gas of Lacq 1970 Informatique industrielle Data processing Capteurs / sensors Crises pétrolières Oil crises Environnement, Club de Rome Environment, 1980 Microinformatique Microcomputing Contrôle automatique Automatic control

e

Contrôle automatique Automatic control

Séchoir Anjou Anjou dryer

Four tunnel Tunnel kiln Four / Kiln casing Support U, U support Four / Kiln hydrocasing Support H H support Four à rouleaux Roller kiln

Réglementation environmentale Environmental regulation

Filières complexes Sophisticated dies

Automatisation Automation

Automatisation Automation

Séchoir « rapide» «Quick» dryer

1990* Protocole de Kyoto Kyoto Agreement 2000 Internet

Robots

* A la fin des années 1990, la maintenance à distance se généralise / From the end of the 1990s, the use of remote maintenance is spreading.

milieu du siècle, par des petits chemins de fer à locomotive Diesel ou des bandes transporteuses. Après 1918, on commence à voir des camions américains, Liberty ou Packard, et le transport par camions va se développer jusqu'à nos jours, où pratiquement tout l'acheminement est effectué par ce moyen. Les préoccupations plus récentes de la préservation de l'environnement sont aussi devenues un facteur d'évolution de l'exploitation des carrières, qui deviennent plus propres, moins bruyantes et sont toutes réaménagées en fin d'exploitation. Les envols de poussière ont disparu, les routes restent propres autour de la carrière, qui ne se trans-

forme plus en décharge sauvage à l'abandon, mais est réaménagée pour la nature et le plaisir du promeneur.

PRÉPARATION DE LA TERRE

De son côté, la préparation de la terre, qui se pratique toujours en France en voie semi-humide, a connu un développement plus continu. Dans de nombreuses usines en 1920, la terre était encore broyée de façon rudimentaire par une pierre conique que faisait tourner un cheval. Puis elle était déposée dans une

fosse peu profonde (bardière) où elle était mouillée, puis foulée aux pieds. On commençait à trouver dans les usines les plus en avance des broyeurs à meules verticales et des broyeurs à cylindres laminoirs horizontaux qui existent toujours dans les usines actuelles. En 1928, l'usine de Betschdorf travaille avec un écartement de 0,5 mm entre les cylindres du laminoir finisseur. Au fil du temps, l'énergie motrice de ces machines a évolué, de la vapeur au moteur thermique, puis à l'électricité actuellement ; les capacités et la productivité sont devenues beaucoup plus

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Figure 1a - Concasseur brise-mottes Renou a Renou roller crusher 1905

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pénétrer la terre dans les cavités et le dernier, le plus énergique, pour atteindre la bonne épaisseur de la tuile". Il ne reste plus qu'à ébarber manuellement la tuile.

efficace dans des séchoirs hallettes. On a constaté qu'on ne pouvait utiliser les haies couvertes de paillassons que dans les pays où les pluies sont de courte durée. Les haies sont alors abritées sous des hangars fixes ou hallettes qui les protègent de la pluie. Le temps de séchage est d'environ un mois pour les briques et de15 jours pour les tuiles. Le déchet est élevé (15 %, selon Bodin), surtout en fin de saison avec les premières gelées. Parfois, le hangar est partiellement fermé sur les côtés et des fenêtres, ouvertes ou fermées, permettent de mieux contrôler le courant d'air. Ce mode de séchage lent et incertain exige beaucoup de main d'oeuvre. La briqueterie de Leers, près de Lille, a ainsi un séchoir hallette opérationnel de 3 km de long (voir figure 3). Il fonctionne sept mois par an. Le temps de séchage varie d'une semaine à huit mois, suivant les positions dans l'empilement. Séchoir percher

©Rieter - CERIC

© Ibis Press

importantes, de même b que les exigences de En 1925, on commenmeules qualité des mélanges Figure 1b - Broyeur à grinding pan ce à voir apparaître des en voie humide / Wet de production, de fiabipresses revolvers à lité et de disponibilité cinq pans (voir figure des équipements (voir figure 1). Les 2a) qui permettent des productions de manutentions de la terre, les dosages et 500 tuiles/heure. En 1952, les presses les mélanges étaient tous manuels, effec- de la Tuilerie de Perusson sont servies tués souvent à la brouette ou au wagon- par trois ouvriers : le mouleur ou "planet. La mécanisation a automatisé tous queur", le démouleur ou "attrapeur" et un les transports de matière ; les bandes aide qui réceptionne les tuiles. Les matransporteuses et les doseurs automa- nutentions y sont entièrement manuelles tiques se sont généralisés. Cette mécani- et ne sont pas sans danger. Les presses sation ne se limite pas au transport du actuelles (voir figure 2b) gardent le même mélange de production, mais se géné- principe, mais sont entièrement automaralise rapidement à tous les transports tisées et produisent couramment 4 000 des semi-produits et des produits finis. tuiles/ heure.

MISE EN FORME

Les mouleuses à hélice, imaginées vers 1860, n'ont pas changé dans leur principe. Elles ont supplanté un certain nombre d'autres équipements utilisés en parallèle au début du siècle. De nos jours, elles sont beaucoup plus productives, puissantes et contrôlées. La désaération des mélanges a commencé de façon assez précoce (1930), mais a mis longtemps à se propager dans l'industrie. Le mouillage par injection de vapeur est utilisé à partir de 1950. L'amélioration principale des mouleuses s'est produite dans les années 1970 avec l'arrivée des microprocesseurs et de l'informatique en production. On a développé ces machines pour qu'elles fonctionnent à plus haute pression, avec moins d'humidité et avec moins d'argile de qualité. Les filières des mouleuses, initialement de conception simple, sont devenues plus complexes. Dans les filières hydrauliques développées peu avant 1950, un filet d'eau est introduit au niveau des noyaux et des parois pour diminuer le frottement. Dans les années 1980, les grandes filières complexes pour briques à perforation verticales apparaissent. La largeur actuelle monte à 1,7 m pour des filières permettant l'extrusion de plusieurs produits à la fois. En 1920, on fabrique les tuiles mécaniques par pressage d'une galette d'argile extrudée dans un moule en plâtre. On utilise une presse à bras. "On donne généralement trois coups de presse, l'un pour chasser l'air, l'autre pour faire

SÉCHAGE

La compréhension du séchage avait commencé à la fin du siècle précédent, avec la publication du livre d'Émile Bourry, Traité des céramiques industrielles (1897) qui décrit le retrait du séchage. Richard Mollier édite ses Nouvelles Tables et Diagrammes de l'humidité en 1906, expliquant la thermodynamique de l'air humide. Puis Bigot publie ses études céramiques en 1921. Cependant, les applications industrielles de ces résultats scientifiques ne seront introduites que lentement avec le séchage artificiel.

On développe aussi les séchoirs perchers, en construisant un séchoir à étages au-dessus du four Hoffmann pour bénéficier de sa chaleur et accélérer le séchage. En fait, comme la position du feu dans le four varie et que les courants d'air sont mal contrôlés, les briques sont

Figure 2 a ­ Presse revolver double pression à porte-moule 5 pans Double pressure revolver press with 5 plane mouldholder (1927)

Séchage naturel

Au début du siècle, la technologie du séchage est limitée. Pour sécher les "briques de campagne", que l'on fabrique sur le chantier de construction, avec de la terre franche extraite sur place, on les expose sur une aire sablée pendant deux jours pour qu'elles gagnent en consistance, puis on les rassemble en haie en les empilant de champ, séparées par des vides. A chaque hauteur, l'orientation des briques est tournée de 90°. Au fur et à mesure du séchage, on peut monter des piles jusqu'à hauteur d'homme (voir figure 3). On dispose de paillassons pour protéger les empilages en cas de mauvais temps. Séchoir hallette Dans le même temps, les briques dites mécaniques, fabriquées en usine, sont séchées à l'air libre d'une façon plus

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© Bongioanni Macchine S.p.A.

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2b ­ Presse à tuiles mécanique moderne type Crono 222 Modern mechanical rooftile press type Crono 222

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exposées à des conditions variables de séchage. Le vent et le soleil obligent à employer des volets à claire-voie pour favoriser ou limiter le séchage. Souvent, il devient nécessaire de changer la position des briques dans le séchoir, ce qui est une source de frais de maind'oeuvre élevés. Les Grandes Tuileries de Marseille, avec leur climat favorable, utiliseront des séchoirs perchers jusqu'en 1955, date de la création de leurs premiers séchoirs artificiels. des cycles plus rapides, devenus disponibles dans les années 1970. A la Briqueterie Gelis par exemple, le premier séchoir artificiel rudimentaire est introduit en 1936. Il a été amélioré graduellement par un meilleur contrôle de l'atmosphère. C'est en 1976 que des séchoirs tunnels parallèles à ventilation forcée réellement efficaces seront installés. On a alors assisté à une amélioration continue des séchoirs par une augmentation de la ventilation et du recyclage, un meilleur contrôle de l'air séchant, par la multiplication des capteurs et une plus grande finesse du contrôle, permis par l'informatique. Les temps de séchage et le pourcentage de déchets diminuent. Les temps de séchage sont souvent compris entre 6 et 36 heures. Séchage rapide Depuis quelque temps, on s'efforce de développer le séchage dit rapide des produits. Il diffère du séchage conventionnel par le fait que, par les posages et les contrôles des flux d'air, on s'efforce de sécher chaque produit individuellement, et non plus un empilage massif de produits. On peut donc espérer atteindre les vitesses de séchage théoriques maximales mesurées en laboratoire. Des temps de séchage de quelques heures sont maintenant obtenus dans le cas de produits et mélanges adaptés.

Séchage artificiel

Dès la fin de la Première Guerre mondiale, on a désiré mieux contrôler les conditions de séchage, de façon à augmenter la production des usines qui peuvent ainsi travailler toute l'année. Pour remplacer le séchage naturel, on a introduit petit à petit le séchage artificiel. Celui-ci comprend essentiellement un contrôle de l'air de séchage et un brassage efficace. Il est réalisé sur des empilements de produits placés dans les chambres d'un séchoir statique ou sur les wagons qui circulent dans un séchoir tunnel continu. En 1928, la tuilerie Bisch à Seltz emploie déjà un séchoir Buhrer qui utilise la chaleur récupérée des fumées. Dès cette époque, on a distingué trois périodes successives de séchage : l'échauffement en air humide, l'enlèvement de l'eau colloïdale et le départ de l'eau d'interposition. Le séchage artificiel se développera d'abord lentement, puis considérablement après la Seconde Guerre mondiale. Séchoir à chambres En 1956, Bodin note que les séchoirs à chambres sont encombrants, d'une réalisation coûteuse, qu'ils nécessitent un bon entretien, mais permettent un bon séchage et une manutention aisée (voir figure 4) et mécanisable. Les temps de séchage typiques varient entre 12 et 72 heures. Ces équipements se sont améliorés au moyen de contrôles plus fins de la température et de l'humidité de chaque chambre, et de brassages améliorés. Séchoir tunnel continu De même, Bodin note que les séchoirs tunnels continus donnent satisfaction pour les produits standard. Par contre, ils sont difficiles à régler et présentent des flux gazeux très inégaux entre les piles de produits, et donc des vitesses de séchage non homogènes. Le problème sera partiellement réglé par l'emploi de brassages latéraux, en plus des ventilations longitudinales, et par l'emploi de recyclage d'air important qui permettront

Le séchage rapide MobilSystem par Rotho*

Rotho's fast drying concept MobilSystem*

G râce à la circulation d'air intégrée

de type impact dirigée sur les tuiles en vert, le MobilSystem a établi un standard technique innovateur, non seulement en termes de durée, mais aussi de qualité du séchage. Adapté aussi bien aux tuiles mécaniques qu'aux accessoires, le MobilSystem permet de réaliser un séchage économique en assurant une fiabilité considérable du process. De plus, le temps de séchage peut être réduit jusqu'à 75 % et la qualité de la tuile séchée est considérablement améliorée. Les séchoirs existants peuvent aussi en être équipés en rétrofit.

CUISSON

Au début du XXe siècle, la plupart des briques sont encore fabriquées de façon artisanale. On cuit les briques de campagne en meule, sans four réel, la meule de brique formant les parois du four, avec évidemment beaucoup de déchet, puisque seul le centre est vraiment cuit. Dans les usines, on trouve des cuissons au four rond intermittent à flamme renversée (voir figure 5). Dans ces fours, le tirage est inversé (de haut en bas) pour permettre une meilleure uniformité de température des briques. Ainsi, on peut faire une cuisson toutes les deux semaines, soit 12 000 à 100 000 briques (25 à 200 t), selon la taille du four. Un four de ce type est encore en opération en Grande-Bretagne (Bulmer Bricks, dans le Suffolk).

W ith the integrated impact air flow

onto the products, the MobilSystem set a completely new technical standard both in regard to the drying times and the drying quality. With the MobilSystem, which is suitable for both flat roofing tiles and accessory tiles, an economical drying process is achieved with a high degree of process safety. Here the, drying time can be reduced by up to 75% and at the same time there is a significant quality iprovement in the dried product. Retrofit of existing dryers is possible.

*par / by Robert Thomas Metallund Elektrowerke GmbH & CO. KG

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Four Hoffmann

Construit pour la première fois en Allemagne en 1867, le four Hoffmann devient après la Première Guerre mondiale la technologie de base de la cuisson, bien qu'il reste encore des fours intermittents en fonctionnement en 1956. Par exemple, les briqueteries Gelis s'équipent d'un premier four Hoffman en 1930 et en construisent un nouveau en 1954, qui restera en fonctionnement jusqu'en 1974. Dans ce four continu, qui peut atteindre 100 mètres de long, les produits sont fixes, mais le feu se déplace (environ 20 mètres/jour) par un arrangement

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© Briqueterie de Leers / Leers brickwork

Dans de nombreuses briqueteries, on ajoute aussi un peu de poussière de charbon dans le mélange argileux. Plusieurs fours Hoffmann sont encore en fonctionnement en France, comme par exemple à Leers (voir figure 7).

Four tunnel

Le four tunnel a été introduit dans l'industrie de la porcelaine dès le XVIIIe siècle. Vers 1880, à Normanton dans le Yorkshire, M. Forster développe un four tunnel pour briqueterie. Le four a une section de 2,5 sur 3,3 m, une longueur de 33 mètres et il comprend 16 wagons. Son opération est difficile pour des problèmes technologiques (étanchéité entre les wagons, poussée insuffisante...). Ainsi en 1911, Alfred Searle écrivait dans son livre Modern Brick Making : "Malgré leurs avantages, il est peu probable que les fours tunnels deviennent très répandus". En pratique, les premiers fours tunnels pour la brique en France datent de l'Entre-DeuxGuerres. La plupart étaient alors de petite taille et de faible débit. Le régime thermique du four tunnel assure une grande stabilité et reproductibilité des conditions de cuisson. Le rendement thermique est amélioré et les réfractaires des parois fixes, qui ne souffrent plus de fatigue thermique, vieillissent moins. Ces fours évitent le travail à l'intérieur de chambres de taille limitée, à des températures élevées (80 °C) et en présence de cendres. Il y a de fortes économies sur la main-d'oeuvre, qui voit de plus ses conditions de travail s'améliorer nettement. Les fours tunnels sont vraiment devenus la norme incontournable dans les années 1970, en particulier quand on a pu les associer avec des automates d'empilage et de dépilage. Dès 1956, Bodin indiquait certains problèmes d'emploi de ces fours : ­ investissement plus élevé que le four Hoffmann ; ­ possibilité de stratification des fumées et températures dans le four. Pour la limiter, il faut donc une turbulence importante ; ­ nécessité de bien contrôler les flux de gaz et les pressions, avec des ventilateurs d'extraction des fumées, qui consomment de l'énergie et se corrodent facilement. Le développement du four tunnel sur ces trente dernières années a été rapide et s'est fait en particulier pour réduire les difficultés détectées :

Figure 3 ­ Placeur sous un séchoir hallette Worker setting bricks in a drying shed

approprié de l'aération, de l'alimentation en combustible et des registres et carneaux des fumées. Le four travaille en continu, ce qui décuple sa productivité. Le rendement thermique est également bien meilleur que celui des fours intermittents. L'alimentation en combustible se fait par le haut (voir figure 6). Au lieu de consommer 300 kg de charbon pour 1 000 briques (2 t), les consommations tombent à 50 kg/1 000 briques. De même, l'uniformité des températures dans le four, et donc l'uniformité des propriétés et couleurs des briques, sont bien améliorées, sinon optimales. Le contrôle de cuisson s'effectue « à la baisse »: on mesure la baisse de la couche supérieure de l'empilage. Par exemple, pour un empilement de produit de 2 mètres de haut, une baisse de 9 à 11 cm correspond à des produits acceptables. A 15 cm, les produits sont déclassés et le cuiseur est soumis à l'amende ! Depuis le premier four Hoffmann circulaire de 1867, de nombreuses améliorations sont effectuées : ­ fours à deux galeries parallèles, reliées aux extrémités, qui permettent de mieux utiliser l'espace supérieur du four pour le séchage des produits (four Hoffmann Simon) ; ­ fours Zig Zag, qui permettent d'entrer plus facilement dans le four et facilitent l'enfournement et le défournement ; ­ emploi de "cuiseurs automatiques", qui déchargent automatiquement le combustible par les trous d'alimentation au-dessus du four, et qu'on déplace avec le feu. On brûle principalement de la poudre de charbon. En 1956, on note aussi quelques fours continus, fonctionnant au fuel lourd, et quelques-uns au gaz de gazogène.

­ l'utilisation de brassage des fumées dans les zones à basse température, et de brûleurs Jet à haute vitesse de gaz (>100 m/s) pour diminuer les stratifications ; ­ l'optimisation de la forme de la section du four, pour améliorer sa productivité et l'uniformité des flux et des températures ; ­ le four tunnel casing préfabriqué, à revêtement métallique extérieur, dans les années 1970, permet les grandes sections allongées, limite les entrées d'air, et facilite la mise en place sur le chantier. L'étanchéité de la sole composée par les wagons est assurée par des sablières latérales et par des joints fibreux entre wagons ; ­ le four hydrocasing à joint d'eau sous les wagons (figure 8), supprime entièrement les entrées parasites d'air, assure un contrôle supérieur de l'atmosphère et du rendement thermique, pour tuileries (1985), puis pour briqueteries (1988). Un facteur de développement important est l'arrivée des microprocesseurs, la multiplication des capteurs et régulations et la généralisation du contrôle informatisé des lignes puis des usines, avec la première tuilerie automatisée en 1976 et la première briqueterie gérée par ordinateur en 1983. Le développement de la qualité des tuiles, en particulier la recherche de haute résistance au gel, a entraîné une hausse des températures de cuisson, qui pouvait provoquer des baisses de précision géométrique des tuiles à emboîtements. Des systèmes de supportage des tuiles ont été développés pour limiter ces déformations, d'abord avec l'utilisation de cases en U réfractaires (1976), suivie par le supportage individuel des tuiles (support en H). Après l'établissement du réseau de distribution du gaz de Lacq en 1960, puis l'arrivée en 1967 du gaz de Groningue, le combustible de choix du four tunnel moderne est maintenant le gaz naturel, à cause de son prix, de sa facilité et de sa sécurité d'emploi et de la faible pollution des fumées. Il représente ainsi plus de 90 % de l'énergie de chauffage de la terre cuite en France. Les énergies renouvelables (sciure de bois) sont aussi utilisées. L'augmentation du prix du combustible, puis maintenant le défi des gaz à effet de serre, entraînent la recherche d'une plus grande efficacité thermique au moyen d'optimisations fines variées, par exemple : ­ la récupération optimale de la chaleur des fumées, pour son utilisation dans le séchoir ;

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­ diminution des pertes aux ouvertures des portes par l'emploi de sas et préfours ; ­ contrôle de la chaleur perdue par la terre cuite chaude à sa sortie du four ; ­ optimisation du dessin des wagons et des supportages, de façon à en limiter la masse spécifique et les pertes thermiques dynamiques ; ­ emploi de brûleurs plus performants, mieux adaptés, mieux régulés et mieux positionnés ; ­ optimisation des flux de gaz entre les empilements, entre les produits, entre les empilements et les parois du four ainsi que l'optimisation des excès d'air ; ­ développement de la cuisson rapide. Comme pour le séchage, on cherche à chauffer chaque produit de façon individuelle en limitant l'effet des empilages. Les tuiles ont des supports individuels assez ouverts. Dans les briques, on recherche une pénétration importante de l'air chaud dans les alvéoles. On peut ainsi espérer des diminutions du coût d'investissement d'installations plus petites à production égale ; ­ optimisation des changements de régime rendus nécessaires par les changements de produits ; ­ gestion énergétique globale de tous les équipements de l'usine, fours et séchoirs ; ­ optimisation des traitements environnementaux (filtres à gravier, postcombustion des fumées...)

MÉCANISATION DE LA MANUTENTION

La manutention des produits, l'empilage et le dépilage au séchoir et au four, l'alimentation des presses sont très différents de ce qu'ils étaient il y a un siècle. D'un travail essentiellement manuel, les manutentions sont maintenant complètement automatisées, d'abord avec la création, dans les années 1960, de mécanismes électromécaniques indépendants, adaptés à chaque fonction et à chaque produit, commandés par des relais, puis par des automates programmables, et enfin adaptant les technologies de déplacement développées pour les robots. Ils apportent une plus grande productivité et une amélioration importante des conditions de travail du personnel.

d'automation, similaires à ceux utilisés en manutention : basés d'abord sur des relais, puis des automates programmables et enfin dans les années 1980, des ordinateurs. La fonction de pilotage des machines de préparation du mélange et de façonnage, la manutention de la terre et des produits, le mouvement des wagons, la régulation du séchage et de la cuisson sont maintenant complètement confiés à des ordinateurs, ce qui améliore la qualité des produits, la productivité de la ligne, sa fiabilité, sa flexibilité et sa réactivité, ainsi que les conditions de travail du personnel. Globalement, une ligne de production de briques, qui nécessitait cinquante ouvriers par poste dans les années 1930, est maintenant suivie par deux opérateurs.

QUALITÉ DES PRODUITS

La qualité moyenne des produits impliquait un triage de toute la production. Ainsi en 1952, la tuilerie de Perusson distingue trois choix selon l'aspect général, la qualité et les propriétés physiques. Le premier choix de tuile comprend principalement les produits "cuits à terme" et "bien cuits" ; le deuxième choix comprend en particulier les produits "très cuits". Le troisième choix est Figure 4 ­ ce qui reste et n'a pas de Wagonnet à étagères pour séchoir à chambres et son prédécesseur définition précise. Il est parfois utilisé, non en Shelf-type car for chamber dryer and its predecessor toiture, mais en maçonnerie. Les produits casPour de nombreux déplacements non sés fendus ou trop déformés sont jetés linéaires, ces équipements sont mainte- et les produits mal cuits retournent une nant souvent remplacés par des robots seconde fois au four. La tolérance sur la plus flexibles, bien adaptés aux manipu- longueur d'une tuile est de 8 mm. Ce lations complexes et changeantes. Cette tri des produits a disparu avec les fours mécanisation a permis aussi une modifi- tunnels et les pertes de production pour cation importante dans le mode de livrai- qualité insuffisante sont très faibles (<2 %). son des produits finis. Initialement transportés en vrac dans des charrettes, avec La résistance au gel des tuiles était aussi de la casse, ils sont maintenant présentés un point critique et on connaît un tuilier sur des palettes transportées par camion, qui passait chez ses clients tous les de façon sûre. printemps pour changer les tuiles endommagées sur les toitures. Une meilleure compréhension du phénomène de gel, AUTOMATISATION l'amélioration des mélanges de production et l'emploi de plus hautes tempéraL'automatisation et l'informatisation ont tures sont venus à bout de ce problème. été introduites de façon intensive. Pour On a déjà parlé des déformations des contrôler le fonctionnement séquentiel tuiles à haute température et de l'amédes différentes étapes de la fabrication, lioration des géométries obtenue grâce on a d'abord eu recours à des systèmes à de meilleurs supportages.

© Keller ­ CERIC

Four à rouleaux

Le développement limite du four tunnel est en principe le four à rouleaux. Dans ce four, le produit, sans supportage, roule sur les rouleaux réfractaires du four et est exposé à la chaleur du four sur une seule couche (voir figure 9). S'il n'y a pas de problèmes additionnels liés à la forme du produit ou à la formation de coeur noir, on peut donc cuire une tuile très rapidement (4 heures). C'est un procédé typique de cuisson rapide, qui est couramment utilisé dans la cuisson des carreaux céramiques. Ainsi plusieurs fours à rouleaux ont été réalisés dans les années 1990 dans différents pays pour les tuiles, et même pour les briques. Les caractéristiques thermiques de ces nouveaux fours n'ont pas été à la hauteur des attentes: les conditions d'exposition des carreaux et des briques, et même des tuiles, sont suffisamment différentes pour induire des baisses inattendues des rendements et la conception actuelle des fours à rouleaux n'est pas encore concurrentielle sous l'aspect énergétique.

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TERRE CUITE / HEAVY CLAY

Accompagnant le développement technique et favorisant sa pénétration, il faut aussi citer le développement des normes des produits de terre cuites, avec la norme Brique creuse P 13-301 et les normes Tuiles P 31-301 et suivantes, de 1974. Les nouvelles normes sont maintenant européennes comme la NF EN 1304, norme Tuile parue en 1999. Ces différentes normes ont été complétées par la création des marques de qualité NF. présent, les produits étaient conçus sur des bases principalement céramiques, éventuellement thermiques. Pour baisser encore le prix de revient, il est maintenant nécessaire de dessiner des produits plus légers et plus minces, mais aussi plus résistants. Des tuiles de 6 mm et des briques type Monomur à parois minces en sont des exemples. La préparation des mélanges semble ainsi un secteur de développement. Des granulométries plus fines permettent des propriétés améliorées ; la préparation sèche des mélanges semble donc une voie intéressante, même dans des pays à climat plus humide que le climat méditerranéen. De même, le contrôle de la répartition granulométrique des mélanges permet de faire varier les porosités des tessons et leur perméabilité. C'est un des éléments mis en oeuvre pour la réalisation des bétons à hautes performances.

CONCLUSIONS

Quels pronostics faire pour l'avenir ? Faut-il dire, comme ce directeur du Federal Patent Office à Washington en 1903 que "les principaux brevets sur les principaux procédés avaient déjà été déposés et qu'il voyait donc une décroissance de l'activité de son bureau à moyen terme" ou au contraire, faut-il noter que

The factors which caused this transformation result from progress made on the following points: ­ the cost price - production has been concentrated into a smaller number of factories and firms, giving economies of scale and allowing for general mechanisation; ­ partially connected with the previous point, thermal efficiency, coming from progress made with dryers and kilns; ­ products which are more suitable for the requirements of the market, with improved quality and able to withstand competition from other construction materials; ­ working and safety conditions; ­ more recently, the environment has been taken into account. These innovations have come both from the development of new ceramic techniques (artificial drying, tunnel kiln, etc.) and from the very successful incorporation of other technologies. The rate of development, which was rather slow during the first half of the 20th century, has accelerated over the last thirty years. Table 1 shows the different stages of development.

Enfournement en cassettes Firing in saggars

Mur d'autel Bridge wall Alandier Firebox

Figure 5 ­ Four rond intermittent à flamme renversée Intermittent round downdraught kiln

KNOWLEDGE OF CLAY

In 1900, our knowledge about clay was purely empirical. We could make a chemical analysis of the product and check its plasticity, but the great analysis techniques (X-rays, infrared, etc.) did not exist at that time. Throughout the 20th century, our knowledge and detailed comprehension concerning clay developed with the arrival of modern analysis techniques and those techniques were used on an industrial scale at a later stage.

Quarries

Carneau / Flue

© GDF

les facteurs de transformation présents au début du XXe siècle sont encore là au XXIe, même s'ils le sont sous des formes partiellement différentes ? Et comment ne pas rester modeste quand on évoque les prévisions de A. Searle sur le four tunnel ? Une nouvelle rupture technologique dans le séchage et la cuisson semble peu probable. Ils peuvent cependant s'améliorer par des optimisations fines. Les brûleurs se développent encore. Les régulations deviennent plus efficaces et intégrées. Tout fonctionne en boucle fermée. Le séchage et la cuisson rapides n'ont pas dit leur dernier mot. Le séchoir peut être jumelé à une cogénération. Cependant, il est probable que les nouvelles améliorations viendront cette fois de sujets moins approfondis jusqu'à présent. Les mouleuses ont du mal à alimenter les filières en grande largeur, qui sont difficiles à équilibrer. Le mélange argileux pourrait être alimenté autrement que par la mouleuse monohélice. Des améliorations pourraient venir du dessin des produits lui-même. Jusqu'à

Pourquoi ne pas utiliser aussi cette approche dans la terre cuite ? Enfin les exigences environnementales, toujours en voie de durcissement, auront aussi leurs conséquences sur le procédé, avec des limites de rejet toujours plus strictes. Le marché de la terre cuite semble assuré à long terme. Les possibilités techniques sont loin d'être épuisées et les ingénieurs Procédé ont encore des perspectives devant eux.

·

T

he process used in the manufacture of bricks and rooftiles for building purposes has seen a lot of development over the years and this article gives a brief history of its evolution during the 20th century, based in particular on the technical books which were published in each generation: 1881, 1926, 1956 and on articles published in L'industrie céramique & verrière and the Bulletin officiel de l'union céramique et chaufournière de France (Official Bulletin of the French ceramic and lime-burning union).

Considerable improvements took place in the operation of clay quarries. In 1900, most quarries were operated by hand, using picks, wheelbarrows and tipping trucks. Before the 1914 war the Marseille Rooftile Factory employed over 500 navvies, who extracted 1,500 m3 per day. There were a few firms here and there that already used steam driven bucket excavators. Production of the first worksite heavy machines and bulldozers had to wait until the internal combustion engine was extensively developed. The machines started to appear in quarries between the two wars. Hydraulic excavators were introduced after the Second World War and went into general use in clay quarries.

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After 1918, American trucks started to appear, Liberty or Packard, and transport by truck has continued to develop up to the present day, where practically all transport is done by trucks. More recent concerns about the preservation of the environment have also become a factor in the development of quarries. They are becoming cleaner and less noisy and all quarries are now fully restored at the end of the operation. Clouds of dust have disappeared, the roads around quarries are clean and they are no longer used as casual rubbish tips, but are instead reclaimed for the pleasures of nature and walkers.

Figure 6 ­ Les "cuiseurs" alimentent le four Hoffmann

CLAY PREPARATION

Clay preparation, which in France has always been done in a semi-wet conditions, has seen continuous development over the last hundred years. In many factories in 1920, the clay was still ground in a rudimentary manner by a tapered stone which was turned by a horse. Then it was put into a shallow soaking pit, where it was dampened and then trod with the feet. In the most advanced factories, we start to see vertical pan mills and horizontal roller mills which still exist in the factories of today. In 1928, the Betschdorf factory worked with a clearance of 0.5 mm between the finishing rollers. Over time, the motive force for these machines has changed, starting with steam, then the internal combustion engine and now electricity. Capacities and productivity have become much more important, as have requirements for quality in production mixtures, reliability and availability of equipment (see fig. 1). Handling the clay, metering of constituents and mixing were all manual, often using a wheelbarrow or a tipping truck. Mechanisation has automated all this material transport; conveyor belts and automatic metering devices are used nowadays. Mechanisation has not been limited to the transport of the production mixture, but has been rapidly introduced for all transport of semi-finished and finished products.

The main improvement in ex- en charbon par le haut / Automatic"kiln operators" feed the Hoffmann kiln with coal from the top truders occurred in the 1970s, with the arrival of microprocessors and computers in produc- which described retraction during drying. tion. Machines were developed to work Richard Mollier published his New at high pressure, with less water and Humidity Tables and Diagrams in 1906, clay of lower quality. Dies for extruders, explaining the thermodynamics of damp initially of very simple design, became air. Then Bigot published his Ceramic more complex. In the hydraulic dies devel- Studies in 1921. However, it was a long oped just before 1950, a water spray time before industrial applications of was inserted between the core and the these scientific studies for artificial drying walls to reduce friction. In the 1980s, were introduced. large complex dies for bricks with vertical perforations appeared. The width Natural drying today can go up to 1.7 m for dies, enabling several products to be extruded at the At the start of the century, drying technolsame time. ogy was limited. To dry "country bricks", which were manufactured on the In 1920, pressed rooftiles were manufac- construction work-site using clay soil tured by pressing a bat of extruded clay extracted on the site itself, the bricks into a plaster mould. A hand-operated were placed on a sandy area for two press was used. "We generally use three days till they hardened, then they were strokes of the press, one to remove the assembled in a stack, piling them onto air, the other to make the clay penetrate one another, with an empty space into the cavities and the last, the strongest between each brick. The bricks were one, to get the correct thickness of the turned 90° at each level of the stack (see rooftile". The rooftile then had to be fig. 3). As they dried, the height of the deburred manually. In 1925, 5-plane stacks could be increased up to the height revolver presses (see fig. 2a) started to of a man. Mats were used to protect the appear which provided high production stacks in case of bad weather. at 500 rooftiles per hour. In 1952, the presses in the Perusson rooftile works Drying sheds were operated by three workers: the moulder or "plater", the de-moulder or At the same time, bricks known as "catcher" and a helper who received the "mechanical", manufactured in a factorooftiles. Handling was entirely manual ry, were dried more efficiently using free and could be dangerous. air in drying sheds. Stacks covered with mats could not be used in countries Presses nowadays use the same princi- which have heavy rain. The stacks were ple but they are entirely automated and therefore placed under cover in fixed produce 4,000 rooftiles /hour (see fig. 2b). halls or sheds which protected them from the rain. Drying time was about one month for bricks and 15 days for DRYING rooftiles. Waste was high (15%, according to Bodin), above all at the end of the Understanding how drying works start- season when the first frosts came. ed at the end of the previous century, with Sometimes the hall was partially closed the publication of a book by Émile Bourry, on the sides and windows were opened Treatise on Industrial Ceramics (1897) or closed to control the air flow. This

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© Briqueterie de Leers / Leers brickwork

The transport of clay from the quarry to the factory also saw changes: At the start of the century, the cart, pulled by horses or oxen, was the basic transport method. The Marseille Rooftile Factory used one thousand horse-drawn carts for its supply of clay. In big quarries there were also tipping truck and cable transport systems, which were replaced, towards the middle of the century, by narrow-gauge railways, using diesel locomotives or conveyor belts.

SHAPING

Auger extruders, which were invented about 1860, still use the same principles now. They have replaced some other sorts of equipment which were used at the same time at the start of the century. Nowadays, they are much more productive, powerful and controlled. Deaerating mixtures started quite early (1930), but took a long time to become universal in the industry. Dampening by injecting steam was used as of 1950.

English

TERRE CUITE / HEAVY CLAY

slow and uncertain drying method required a lot of labour.

The Leers brick factory near Lille has a drying shed 3 km in length (sse fig. 3). It is operates for seven months a year. The drying time varies from one week to eight months, depending on the position in the stack.

Overhead dryers

and they could be mechanised. The typical drying time varied between 12 hours and 72 hours. This equipment was improved by finer control of the temperature and humidity in each chamber and improved air turbulence.

Continuous tunnel drying

ually and a massive pile of products is no longer used. It may therefore be possible to attain the theoretical drying times found in the laboratory. Drying times of a few hours are now obtained in the case of suitable products and mixtures.

FIRING

At the start of the 20th century, most bricks were still made by hand, country bricks were fired in a stack, without a proper kiln, with the stack of bricks forming the walls of the kiln. It is obvious that there was a lot of waste, since only the centre was properly fired. Intermittent round downdraught kilns were used for firing (see fig. 5). In these kilns, the draft was inverted, passing from top to bottom to provide better temperature uniformity of the bricks. Using this method, firing can take place every two weeks, for 12,000 to 100,000 bricks (25 to 200 t), depending on the size of the kiln. A kiln of this type is still in operation in Great Britain (Bulmer Bricks, in Suffolk).

Also overhead dryers were developed, by constructing a dryer with various levels on top of a Hoffmann kiln to benefit from its heat and accelerate drying. In fact, since the position of the fire in the kiln varied and the air draughts were badly controlled, the bricks were exposed to varying drying conditions. Wind and sun made it necessary to use opening shutters to encourage or limit drying. It was often necessary to change the position of the bricks in the dryer, which involved high labour costs. The Marseille Tiling factory, with its favourable climate, used overhead dryers up to 1955, when the first artificial dryers were built.

Bodin also noted that continuous tunnel dryers were satisfactory for standard products. On the other hand, they were difficult to regulate and gave very unequal gas flow between the stacks of products, and therefore drying times which were not consistent. The problem was partially solved by the use of lateral turbulence in addition to longitudinal ventilation and by the large scale use of air recycling, which provided quicker cycles and which became available in the 1970s. At the Gelis Brick factory, for example, the first rudimentary artificial dryer was introduced in 1936. It was gradually improved by better control of the atmosphere. It was in 1976 that really efficient forced ventilation parallel tunnel dryers were installed. So we see that there was continuous improvement of dryers by increasing ventilation and recycling, better control of the drying air, more detectors and finer control, made possible by using computers. The drying time and the percentage of waste was reduced. Drying time is now often between 6 and 36 hours.

Artificial drying

At the end of the First World War, manufacturers were looking for ways to provide better control of drying, so as to increase production from factories which would then be able to work 12 months a year.

Hoffmann kiln

Constructed for the first time in Germany in 1867, the Hoffmann kiln became, after the First World War, the basic technology for kilns, although intermittent kilns still operated up to 1956. For example, the Gelis brick factory purchased their first Hoffman kiln in 1930 and built a new one in 1954 which remained in operation up to 1974.

In the continuous kiln, which can attain 100 metres in length, products are fixed and it is the fire which moves (about 20 metres per day) with equipment for aeration, fuel supply, dampers and smoke flues. The kiln works continuously, which increases its productivity. Also thermal efficiency is much better than that of intermittent kilns. Fuel supply is from above (see fig. 6). Instead of consuming 300 kg of coal for 1,000 bricks (2 tonnes), consumption falls to 50 kg per 1,000 bricks. In addition, uniformity of the temperatures in the kiln and therefore uniformity of the properties and colours of the bricks is greatly improved. Firing is controlled "from the drop": the drop (lowering) at the upper level of the stack is measured. For example, for a stack of products 2 metres high, a drop of 9 to 11 cm means acceptable products. At 15 cm, the products are not acceptable and the kiln operator is subject to a fine!

To replace natural drying, artificial drying was slowly introduced. The basis of this Quick drying was control of the drying air and the effective use of turbulence. The stacks Recently, efforts have been made to of products were placed in the chambers develop what is known as rapid product of a static dryer or else on cars which drying. It differs from conventional drying circulate around a continuous tunnel in that, due to the placing and the control dryer. In 1928, the Bisch Rooftile facto- of air flow, each product is dried individry at Seltz already used a Buhrer dryer which used heat recovered Figure 7 ­ Four Hoffmann / Hoffmann kiln from exhaust smoke. At that time, three successive drying periods were used: heating in damp air, the removal of colloidal water and the removal of interposed water. Artificial drying developed slowly but then was introduced more quickly after the Second World War.

Chamber dryer

© Briqueterie de Leers / Leers brickwork

In 1956, Bodin notes that chamber dryers were very large, very costly to produce and needed good maintenance, but they did provide good drying with easy handling (see fig. 4)

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Since the introduction of the first Hoffmann circular kiln in 1867, several improvements have been made: ­ kilns with two parallel galleries, connected at the ends, which enable the upper space of the kiln to be used for drying products (Hoffmann Simon kiln); ­ Zig-zag kilns, which enable the kiln to be entered more easily and which facilitate setting and withdrawal of products;

­ use of "automatic kiln operators", which automatically load the fuel via the supply holes above the kiln, and which are moved along with the fire. Coal dust was the usual fuel. In 1956, there were some continuous kilns operating using heavy fuel oil, and a few using gas generators. In several brick factories, a small amount of coal dust was added to the clay mixture. Several Hoffmann kilns are still operating in France, for example in Leers (see fig. 7).

used with automatic stacking and unstacking systems. In 1956, Bodin indicated certain problems in using these kilns: ­ higher investment costs than the Hoffmann kiln; ­ the possibility that smoke and temperatures become stratified inside the kiln. A large degree of turbulence must be created to reduce this problem; ­ the gas flow and pressure must be carefully controlled using smoke extraction fans which consume energy and which are easily corroded.

provides better control of the atmosphere and of thermal efficiency, for rooftiles, (1985), and then for bricks (1988). An important factor in these developments was the arrival of microprocessors, detectors and regulators and the general use of computerised control of lines and factories. The first automated rooftile works was started in 1976 and the first computer managed brick factory in 1983. Developments in the quality of rooftiles, in particular research for high resistance to frost, has brought about an increase in firing temperatures which could have caused a lowering of the geometrical precision of interlocking rooftiles. Support systems for rooftiles were developed to limit deformation, first of all by using refractory U cases (1976), followed by individual supports for rooftiles (H support).

1 - Tôlerie étanche / Leakproof steel casing - 2 - Laine de roche / Rockwool - 3 - Béton vermiculite / Vermiculite concrete - 4 - Béton réfractaire léger / Light refractory concrete - 5 - Béton réfractaire lourd / Heavy refractory concrete 6 - Gaz / Gas - 7 - Air - 8 - Brûleurs-tuyères / Burner-nozzles - 9 - Flammes dans les espaces entres les charges / Flames in the voids between the loads - 10 - Supports réfractaires et tuiles - Charge sur wagonnet / Refractory supports and rooftiles / Load on cars - 11 - Niveau du sol / Floor level 12 - Châssis wagon / Car shell - 13 - Réfractaire béton : béton lourd + laine céramique / Refractory concrete : heavy concrete + ceramic wool - 14 - Châssis four / Kiln shell - 15 - Niveau de l'eau / Water level 16 - Pied réglable sur fondations / Adjustable post on foundations - 17 - Joint d'eau / Water seal

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Tunnel kiln

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The tunnel kiln was introduced in the porcelain industry in the 18th century. About 1880, at Temp. de l'eau, 50 °C Normanton in Yorkshire, Water temp., 50 °C Mr Forster developed a tunnel kiln for bricks. The kiln had a section of 2.5 by 3.3 m, a length of 33 m and it included 16 cars. 12 13 14 15 16 17 Its operation was difficult due to technological problems Figure 8 ­ Coupe du four hydrocasing (sealing between the cars, Cross-section view of an hydrocasing kiln insufficient thrust...). Thus it was in 1911 that Alfred Searle wrote in his book Modern Brick Making: The development of the tunnel kiln over "In spite of their advantages, it is improb- the last thirty years has been rapid and able that tunnel kilns will become very particular attention has been paid to wide-spread". In practical terms, the first reducing the difficulties detected: tunnel kilns for bricks in France date from ­ the use of smoke agitation in low tembetween the two Wars. Most of them perature areas and the introduction of were small with a low throughput. high speed gas jet burners (>100 m/s) to reduce stratifying; The thermal system of the tunnel kiln ­ optimising the shape of the kiln section, provides high stability and reproducibilto improve productivity and uniformity ity of firing conditions. Thermal efficienof flow and temperature; cy is improved and the refractory bricks in the fixed walls, which no longer suffer ­ the prefabricated tunnel kiln casing introduced in the 1970s - with an exteriany thermal fatigue, have a longer lifeor steel shell - made it possible to install time. These kilns avoid the problem of longer wide sections, limited the entry having to work inside chambers with limitof air and facilitated installation on the ed height, at high temperatures (80 °C) worksite. The sealing of the floor kiln and in the presence of ash. There are big constituted by the cars is provided by economies as regards labour and in lateral sand boxes and by fibre seals addition the workers have greatly between cars; improved working conditions. ­ the hydrocasing kiln with water seal underneath the cars (see fig.8), entireTunnel kilns really became the standard ly eliminates unscheduled air entry, in the 1970s, particularly when they were

After the establishment of the Lacq gas distribution network in 1960, and then the arrival in 1967 of Groningue gas, the fuel of choice for the modern tunnel kiln is now natural gas, due to its price, its ease and safety in use and the low pollution of its exhaust. In France, 90% of heating energy for heavy clay products is natural gas. Renewable energy (sawdust) is also used. The increase in the price of fuel and now the environmental challenge of the greenhouse effect have brought about research for better thermal efficiency, using finely varied optimising systems, including, for example: ­ optimal recovery of heat from the exhaust for its use in the dryer; ­ reduction of losses when opening doors by the use of air locks and pre-kilns; ­ control of the heat lost by hot bricks or rooftiles coming out of the kiln; ­ optimising the design of the cars and supports, to reduce their specific weight and dynamic thermal losses; ­ use of higher performance burners more suitable, better regulated, and better positioned; ­ optimising the flow of gas between stacks, between products, between the stacks and the walls of the kiln as well as optimising excess air;

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­ the development of quick firing. In the same way as for drying, the industry is trying to find ways to heat each product individually, reducing the effect of the stacks. The rooftiles have quite open individual supports. For bricks, the industry is looking for a high degree of penetration of hot air into the cavities. In this way it is hoped to reduce costs by using smaller installations which still provide the same amount of production; ­ optimising system changes made necessary by product changes; ­ overall energy management of all the equipment in the factory, kilns and dryers; ­ optimising environmental processing (gravel filters, exhaust post-combustion...).

ment in the working conditions of the personnel.

For several non-linear movements, this equipment is now often replaced by more flexible robots which are easily programmed for complex and varying handling movements. Mechanisation has also produced an important change in the method of delivering finished products. Initially transported in bulk in carts, a system which inevitably involved some products being broken, they are now packed on pallets which are transported by truck in complete safety.

AUTOMATION

Automation and computerisation have been introduced intensively. To control the sequential operation in the various stages of manufacture, first of all automating systems were used similar to those used for handling: based first of all on relays, and then on programmable automatic systems and finally, during the 1980s, on computers. The control function of machines for preparing mixtures and shaping, handling clay and its products, moving cars, regulating drying and firing ­ all are now completely entrusted to computers, which improve the quality of the products, the productivity of the line, its reliability, its flexibility and its reaction time, as well as the working conditions of the personnel. Overall, a brick production line, which needed fifty workers per station in the 1930s, is now handled by two operators.

qualities depending on general appearance, quality and physical properties. First choice rooftiles included mainly "correctly fired" and "well fired" products; the second choice was comprised of products which were "very fired". The third choice was what remained and has no precise definition. They were sometimes used, not on a roof, but for masonry. Broken or bent products or items which were too misshapen were rejected and low fired products were returned to the kiln a second time. The tolerance on the length of a rooftile was 8 mm. With the advent of tunnel kilns this quality sorting of products has disappeared and production losses for insufficient quality are very low (<2%).

Rooftile resistance to frost was also a critical point and there was one rooftile maker who visited his customers every spring to change rooftiles which had been damaged on roofs. Better understanding of frost phenomena, improvement in production mixtures and the use of higher temperatures have eliminated this problem. We have already spoken of rooftiles misshapen at high temperature and of the improvement in geometry as a result of better supports. Accompanying these technical developments and encouraging their use, heavy clay product standards have been developed ­the hollow brick standard P13-301 and the rooftile standard P 31-301+ in 1974. The new standards are now European standards, such as NF EN 1304, the rooftile standard which appeared in 1999. These different standards have been supplemented by the creation of NF quality marks.

Roller kiln

The final development of the tunnel kiln seems to be the roller kiln. In this kiln, the product, without any support, rolls on refractory rollers in the kiln and is exposed to the kiln heat on one level only (see fig. 9). If there are no additional problems connected with the shape of the product or the formation of black core, a rooftile can be fired very quickly (4 hours). This is a typical quick firing process, which is used at present for firing ceramic floor tiles. Several roller kilns were constructed during the 1990s in various countries for rooftiles and even for bricks. The thermal characteristics of these new kilns were lower than expected: the exposure conditions for floor tiles and bricks, and even for rooftiles, are sufficiently different to cause unexpected falls in efficiency and the current design of roller kilns is not yet competitive as concerns the energy aspect.

PRODUCT QUALITY

In the past, the varying quality of products required that all production had to be sorted. In 1952, the Perusson Rooftile Factory sorted their production into three

CONCLUSIONS

What is our forecast for the future? Should we say, like the director of the Federal Patent Office in Washington in 1903 that

MECHANISATION OF HANDLING

Handling products, stacking and unstacking in the dryer and in the kiln, feeding into the presses - all these processes are very different from what existed a century ago. Although previously basically manual work, handling is now completely automated, first of all with the creation, during the 1960s, of independent electro-mechanical mechanisms, designed for each function and each product, controlled by relays and then by programmable logical controllers and finally using movement technology developed for robots. They supply higher productivity and a considerable improve-

Figure 9 ­ Four à rouleaux sans supportage de cuisson Roller kiln with no firing supports

© Burton GmbH

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TERRE CUITE / HEAVY CLAY

"the main patents on the main processes had already been filed and that he therefore foresaw a decrease in the activity of his office in the medium term" or on the contrary, should we note that the factors for transformation present at the start of the 20th century are still there in the 21st, even if they take a slightly different form? And should we still be modest in our forecasts when we think of A. Searle's prediction concerning the tunnel kiln?

to the present day, products were designed on a mainly ceramic basis, and then a thermal basis. To reduce cost prices even further, product design should now move towards products which are lighter and thinner but also stronger. 6 mm rooftiles and Monomur type bricks with thin webs are examples of this trend. Preparing mixtures also seems to be a sector which could be developed. Finer granulometry provides improved properties; the dry preparation of mixtures seems therefore an interesting path for development, even in countries with a climate which is more humid than the Mediterranean climate. In the same way, control of the granulometric distribution in mixtures makes it possible to vary the porosity of products and their permeability. This is one of the elements used for creating high performance concrete. Why not also use this approach for bricks and rooftiles? Finally, environmental requirements, ever more severe, will also have their consequences on the process, with increasingly strict limits on emissions. The brick and rooftile market seems assured over the long term. The technical possibilities are far from being exhausted and process engineers still have plenty of work ahead of them.

Bibliographie / References

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A new technological breakthrough in drying and firing seems rather unlikely. Both of them can, however, still be improved by fine adjustments. Burners are still developing. Regulating becomes more efficient and more integrated. All systems operate in a closed loop. The last word has not yet been said on drying and quick firing. The dryer could be twinned with a cogenerator.

However, it is probable that new improvements will come this time from subjects which are not so profound as those that we have seen up to the present. Extruders have difficulty in supplying large width dies, which are difficult to balance. The clay mixture could be supplied in another way than by the single-auger extruder.

Improvements could come from the design of the products themselves. Up

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