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Procédés de fabrication des métakaolins IMERYS Procédés de fabrication des métakaolins IMERYS S S é é minaire G minaire G é é opolym opolym è è res res 10 / 11 octobre 2012, N 10 / 11 octobre 2012, N î î mes mes C.DETEUF Market Manager AGS-IMERYS 17270 CLERAC Contact :[email protected]

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Page 1: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

Procédés de fabrication des métakaolins IMERYSProcédés de fabrication

des métakaolins IMERYS

SSééminaire Gminaire Gééopolymopolymèèresres

10 / 11 octobre 2012, N10 / 11 octobre 2012, Nîîmesmes

C.DETEUFMarket ManagerAGS-IMERYS 17270 CLERACContact :[email protected]

Page 2: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

Imerys en quelques motsImerys en quelques mots

d Leader mondial des spécialités minérales (40 références minérales)d Présent dans 47pays, 250 Implantations, 17000 employés, CA de

4000M€

Metakaolin plants

Marchés d Construction d Papierd Sidérurgie

(Réfractaire)d Automobiled Emballaged Filtration d Abrasif d Plasturgied …

Page 3: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

QuQu’’est ce que le Mest ce que le Méétakaolin? takaolin?

d Le métakaolin est un état intermédiaire du kaolin ou de la kaolinite (Argile) d’où le terme META.

d C’est un produit amorphe issu de la déshydroxylation d’argiles kaoliniques ou de kaolins par calcination à une température comprise entre 750 et 950°C.

� La réaction de déshydroxylation de la Kaolinite (Al2O3.2SiO.2H2O) en métakaolin (Al2O3.2SiO2.2(1-α)H2O) est une réaction endothermique:

Al2O3.2SiO2.2H2O � Al2O3.2SiO2.2(1-α)H2O + 2 α H20

Kaolinite Métakaolin

α est le coefficient de déshydroxylation

d Il peut être obtenu par calcination de Kaolin (primaire) ou d’argiles Kaoliniques (Kaolins secondaires).

d C’est une pouzzolane artificielle ayant une réactivité notamment vis-à-vis de la chaux.

Page 4: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

QuQu’’est ce que le Mest ce que le Méétakaolin? takaolin?

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TRANSFORMATION THERMIQUE DE LA KAOLINITE

Kaolinite : 2SiO2 Al2O3, 2H2O

Deshydroxylation 500-550°C

Métakaolinite

2SiO2 Al2O3

960-980°C

Si-Al Spinelle

Si3Al4O12

1100-1150°C

Mullite

3Al2O3 2SiO2

EAU

densification,

perte de

pouzzolanicité

750-950°C

Chamotte

Analyse thermo-gravimétrique d’une argile kaolinique

Page 5: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

QuQu’’est ce que le Mest ce que le Méétakaolin? takaolin?

METAKAOLIN

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

2ΘΘΘΘ Co (Kαααα)

Co

up

s

V : verre

Q : Quartz

Q

Q

Q

QQ Q Q Q

V

KAOLINITE BRUTE

0

50

100

150

200

250

300

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

2ΘΘΘΘ Co (Kαααα)

Co

up

s

K

K

K

K

K

K

K

Q

Q

Q

Q

QQ

Q

KK

K

K : Kaolinite

Q : Quartz

Modification structurelle visible en XRD (X Ray diffraction)C’est ce caractère amorphe qui intéresse les Géopolymères

Page 6: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

QuQu’’est ce que le Mest ce que le Méétakaolin? takaolin?

d Pouzzolane artificielle ayant une réactivité vis-à-vis de la chaux

d Dans les bétons et mortiers à base de ciments Portland ou de chaux, le métakaolin et la chaux hydratée se combinent pour former un liant hydraulique. C’est le principe de la réaction pouzzolanique décrite ci-dessous :

La réaction pouzzolanique = Réaction avec de la chaux en présence d’eau

- Consommatrice de chaux libre hydratée (portlandite) :

Ciment Portland + H2O � CSH(phase liante) + CH

CH + AS2(métakaolin) � C2ASH8 +CSH(phase liante)

Avec C=CaO, S=SiO2, H=H2O et A = Al2O3.

Page 7: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéés de calcinations de calcination

En préambule aux méthodes de calcination, il est important de noter que :

• la qualité du métakaolin dépend du kaolin de départ et de sa sélection en carrières

• le taux de kaolinite, donc la chimie influence fortement la réactivité et le mode de réaction du produit

• la préparation du kaolin avant calcination est également un paramètre àprendre en compte :

• Mise en boulets pour un four rotatif

• Broyage – sélection pour obtenir une poudre fine pour le four flash.

• Il faut un contrôle strict de la calcination (température, temps de résidence)

• Il faut un contrôle adapté du produit fini : test de réactivité, test de la qualitéde calcination qui doivent garantir la fiabilité et la régularité du produit.

Page 8: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéés de calcinations de calcination

Il existe divers procédés que l’on peut essentiellement regrouper en deux catégories :

d En fours rotatifs ou à lit circulant :

d Four à plateau (type Herreshoff) (Imerys US)

d Four rotatif : Imerys France (AGS), Ukraine (VKV), US (CE Mineral)

d En fours dit Flash :

d Four type Torbed calciner (Imerys UK)

d Four type FCB (AGS, CLERAC)

Page 9: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four rotatifde calcination : Four rotatif

Temps de passage : 4heures

ClClClCléééérac France four Nrac France four Nrac France four Nrac France four N°°°°3 (L= 34 m, 3 (L= 34 m, 3 (L= 34 m, 3 (L= 34 m, øøøø 2,5 m)2,5 m)2,5 m)2,5 m)Production 10 T/heureProduction 10 T/heureProduction 10 T/heureProduction 10 T/heureFuel + Biogaz + Sciure Fuel + Biogaz + Sciure Fuel + Biogaz + Sciure Fuel + Biogaz + Sciure

Entrée de matière mise en forme (boulets ou nouilles).

Page 10: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four rotatifde calcination : Four rotatif

dd Avantages:Avantages:

� Technologie robuste et fiable (type cimenterie)� Consommation d’énergie efficiente (800-1200 KWh/t)

� Grosse capacité de production (10-12 tonnes/h)

dd InconvInconvéénients :nients :

�� Contrôle à postériori de la déshydoxylation du kaolin (maîtrise du procédé)

� La mise en forme du kaolin (boulets, nouilles) implique un gradient de température dans le produit.

� Broyage du produit après calcination (dureté)� Inertie thermique du four

Page 11: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four de calcination : Four àà plateauxplateaux

Temps de passage : 40min-1heure

Pré-calcination

Calcination

Entrée de matière mise en

forme (boulets)

Page 12: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four de calcination : Four àà plateauxplateaux

dd Avantages:Avantages:

� Robustesse et fiabilité similaire au four rotatif

� Consommation d’énergie connue et maîtrisée (600-1200 KWh/t)

� Plus grand contrôle de la température de calcination

dd InconvInconvéénients :nients :

� Contrôle à postériori de la déshydoxylation du kaolin

� Inertie thermique

� Investissement de l’ordre de 1.5 à 2 fois celui d’un four rotatif.

Page 13: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four Flashde calcination : Four Flash

dd Avantages :Avantages :

� Très flexible : mise en température rapide

� Possibilité de contrôler la déshydroxylation du kaolin

� Bon contrôle de la température

dd InconvInconvéénients :nients :

� Consommation d’énergie élevée liée à la

largeur de l’anneau : 1000 to 2000 KWh/ t

� Capacité limitée : 3 tonnes/h (Opacilite®)

� Maintenance onéreuse

� Investissement initial important

Type TORBED

Durée de calcination de l’ordre de la seconde

Page 14: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four Flashde calcination : Four Flash

Type FCB (AGS)

.

Durée de calcination de l’ordre de la seconde

Kaolin pré-broyé en entrée.

Broyage sélection àmoins de 100µm (AGS)

Page 15: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ProcProcééddéé de calcination : Four Flashde calcination : Four Flash

dd Avantages:Avantages:� Très flexible : mise en température rapide

� Possibilité de contrôler la déshydroxylation du kaolin

� Bon contrôle de la température

� Consommation d’énergie limitée (récupération de calories) : 400 to 800 KWh/t

� Capacité variable (1tonne/h pour AGS)

dd InconvInconvéénients :nients :� Système opérationnel complexe

� Investissement initial non négligeable.

.

Page 16: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

Deux procédés types de calcination : 2 categories de produits

Exemple

- Calcination : 4 heures

- Broyage (< 100 µm)

Exemple

- Calcination : ≈≈≈≈ seconde

- Classification (< 80 µm)

Type en fours rotatifs ou à lit circulant »

Type Flash calcination

Type de produits et spType de produits et spéécificitcificitéés s

10µm 10µm

Page 17: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ParamParamèètres importants pour les Mtres importants pour les Méétakaolinstakaolins

d Origine de la matière première du métakaolin :• Kaolin primaire : issu de lavage de roches granitiques. Produit

généralement très blanc, faible en impuretés (Ti, Fe). La surface spécifique est naturellement « faible » (10-15m²/g).Il y a raffinage de la matière.

• Argile Kaolinique : gisement secondaire, issu de l’érosion des massifs granitiques. Le transport et le dépôt de la matière affecte la « pureté » des argiles qui contiennent plus d’éléments mineurs (Ti, Fe..). La surface spécifique est généralement plus élevée (15m²/g et au-delà). Il n’y a pas raffinage de la matière.

d Chimie de l’argile ou du kaolin : • La chimie va fortement influencer la qualité du métakaolin. Un produit riche

en Alumine est plutôt favorable à la réactivité.

d Granulométrie et calcination : • Un métakaolin fin présente une plus forte réactivité. Ceci étant le procédé

de calcination et la matière de départ (Kaolin/Argile/chimie) sont à même de modifier la réactivité pour un produit donné.

Page 18: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

ParamParamèètres importants pour les Mtres importants pour les Méétakaolinstakaolins

Dans le cas d’obtention de Geopolymères, le taux d’Alumine est important car il conditionne directement le ratio Al/Si, la qualité de la liaison et la taille des chaînes formées.

Une bonne calcination permet d’optimiser la bonne marche du mécanisme de solubilisation.

• L’ensemble de nos métakaolins convient à la réalisation de géopolymères

• Le choix dépendra du produit géopolymère que l’on souhaite réaliser :

• Rhéologie

• Temps de prise

• Niveau de résistance

• …

• En association avec la solution alcaline.

Page 19: (Microsoft PowerPoint - Proc\351d\351s de fabrication MK IMERYS

DonnDonnéées sur les mes sur les méétakaolins IMERYS takaolins IMERYS d 3 métakaolins sont fabriqués chez AGS :

• Argical-M 1000 (Four rotatif)

• Argical-M 1200S (Four Flash)

• MKR2 / Slurry M50S (Four rotatif)

d 1 métakaolin fabriqué en Ukraine :

• MK40 (Four rotatif)

d 1 produit US :

• Metastar 501 (Four plateau)

METAKAOLIN Range of Products

ARGICAL M1000 (AGS)

d50=10µm

ARGICAL M1200S (AGS)

[Flash Kiln]

d50=2µm

MK40 (VKV)

d50=20µm

METASTAR 501 (US)d50=2µm

ARGICAL M50S (liquid,AGS)

d50=1µm

FinenessColourReactivity

More

and

more

fine

+++ ++ +

+ ++ ++ ++ +

+ ++ ++ + ++ + +

+ + ++ + ++ + ++ + +

-- -- --+ + ++ + +

METAKAOLIN Range of Products

ARGICAL M1000 (AGS)

d50=10µm

ARGICAL M1200S (AGS)

[Flash Kiln]

d50=2µm

MK40 (VKV)

d50=20µm

METASTAR 501 (US)d50=2µm

ARGICAL M50S (liquid,AGS)

d50=1µm

FinenessColourReactivity

More

and

more

fine

+++ ++ +

+ ++ ++ ++ +

+ ++ ++ + ++ + +

+ + ++ + ++ + ++ + +

-- -- --+ + ++ + +

BET (m²/g)

23

23

14

18

15

Secondaire

Secondaire

Secondaire

Secondaire

Primaire

Type

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Impact sur lImpact sur l’’Environnement Environnement Une empreinte carbone rUne empreinte carbone rééduiteduite

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Clinker ciment Métakaolin Fuel standard

MétakaolinBiogaz

Laitier de Haut

Fournaux

kg CO 2

par

tonne

�Utilisation de combustible alternatif

�“biogaz” du centre d’enfouissement situéà proximité de l’usine d’AGS (ARGICAL M1000)

� “biogaz” en Ukraine (MK40)

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