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Sommaire-----------------------------Toxicologie du Monoxyde de Carbone ----
 
 
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Sur cette page : Avant propos sur la réduction, Atmosphere oxydante ou reductrice ?, Comment produire la reduction, Effets de la reduction sur les couleurs, Reduction a basse temperature, Enfumage, Bleuissage, Reduction de la pate, Monoxyde de carbone, Rendement thermique de la combustion, Glaçures reductrices au SiC, Composition de l'air sec
 
 
RÉDUCTION et cuisson Céramique
par Smart2000
 
 
 
 
 
 
Avant propos :
 
Un produit mis dans le four va subir des transformations sous l'effet de la chaleur. Il va perdre des gaz par dissociation de ses composés (déshydratation, décarbonatation, etc…), des corps vont fondre et former des liants vitreux qui durciront le produit au refroidissement ou formeront des cristaux, d'autres vont se combiner et former de nouveaux composés, etc… Toutes ces modifications vont s'effectuer selon un processus propre aux produits mis en présence, à la température atteinte et à la vitesse d'échauffement. Jusque-là tout semble aller comme on l'entend généralement lorsqu'on parle de cuire.
 
Toutefois, il ne faut pas négliger un autre paramètre très évident mais si présent dans notre environnement que l'on finit souvent par l'oublier : l'atmosphère gazeuse dans laquelle se déroule le processus.
 
Nous vivons totalement immergés cet élément qu'est la masse gazeuse de l'air atmosphérique tout comme les poissons vivent dans l'eau. Nous sommes, ainsi que les autres êtres vivants (animaux et végétaux) et les éléments de la surface du globe, sensibles aux composants de l'air dont nous puisons une partie de notre vitalité.
L'oxygène qui est l'élément gazeux indispensable dans la respiration des mammifères dont nous faisons partie, est aussi un composant principal de la majeure partie des matériaux terrestres utilisés en céramique (à noter que seulement 0,01% de l'oxygène terrestre se trouve sous forme gazeuse, le reste se trouve combiné de façon stable aux différents éléments dont les roches, eaux, matières organiques...).
 
Lorsqu'on échauffe un produit non oxydé dans notre atmosphère, il s'oxyde par contact avec l'oxygène de l'air (sauf pour des éléments peu oxydables tels l'or, platine et autres éléments très stables). Cette oxydation se fait selon une certaine affinité pour l'oxygène en fonction de la température, ainsi certains éléments s'oxyderont dès la température ambiante et d'autres nécessiteront un fort échauffement… tandis que des produits déjà oxydés échauffés ensemble dans l'air resteront stables.
 
Si on échauffe ensemble, à l'abri ou en manque d'air dans l'enceinte d'un four, des éléments d'affinité différente pour l'oxygène et ayant un contact intime entre eux (par exemple un gaz et un solide…), le plus avide s'il est insuffisamment oxydé pourra " prendre " l'oxygène de l'autre. Le corps qui cède son oxygène est alors " réduit " et celui qui le capte est " oxydé ".
L'échange de l'oxygène de la phase solide (surface de la glaçure ou du produit céramique) vers la phase gazeuse insuffisamment oxydée mais plus avide pour celui-ci caractérise ce que le céramiste appelle la cuisson réductrice.
 
Atmosphère oxydante ou réductrice ?
 
Ces termes qui interrogent toujours les novices de la céramique font référence à la composition de l'atmosphère gazeuse présente dans le four au cours de la cuisson.
 
La cuisson dite " oxydante " ou " en oxydation " concerne une atmosphère constituée d'air en partie ou en totalité (Voir la composition de l'air). Cette atmosphère gazeuse contient donc de l'oxygène libre. La cuisson oxydante peut avoir lieu pendant toute la durée du cycle de cuisson.
 
Lorsqu'on parle de " cuisson réductrice " ou de " cuisson avec phase de réduction ", cela signifie qu'une atmosphère gazeuse avide d'oxygène, et privée de cet élément, est produite dans l'enceinte du four à un moment particulier, mais pas pendant la totalité de la cuisson. La phase de cuisson réductrice ne représente donc qu'une partie du cycle de cuisson qui s'effectue pour le reste en oxydation. Elle s'opère en général vers la fin de la montée en température et au refroidissement.
 
On dit aussi que l'atmosphère est " neutre " lorsque le manque d'air est nul et qu'il n'y a pas d'excédent d'oxygène. Ce type d'atmosphère est purement théorique, dans la réalité il est très rare d'arriver à " caler " une combustion dans ces conditions, ce ne peut être qu'une condition de passage obtenue en passant de oxydant à réducteur par exemple. Même dans un four électrique où la chaleur est produite sans faire appel à une combustion, le peu d'air qui y est contenu contient près de 21% d'oxygène, ce qui est beaucoup plus dans que la plus riche des atmosphères de combustions oxydantes (à moins de consommer cet oxygène avec la combustion de matières organique et que le four soit fermé de façon à être étanche).
 
Il est possible que tous ces types d'atmosphères soient simultanément présents à l'intérieur d'un four lorsque celui-ci présente des turbulences et de mauvais mélanges gazeux (cas des fours à combustibles).
 
Comment produire la réduction ?
 
En céramique, la réduction est le résultat de l'extraction de l'oxygène contenu dans certains composés de la glaçure, de la pâte ou des colorants (oxydes colorants) par l'atmosphère gazeuse produite dans lequel cet élément fait défaut. Cette réaction ne peut se produire à température ambiante, elle doit avoir lieu lors de la cuisson, lorsque le niveau d'échauffement permet aux liaisons oxygène des composés à réduire de se rompre sous l'effet attracteur d'un gaz dit " réducteur ". Ce niveau de chauffe peut se situer pendant la montée en température ou lors de la descente au refroidissement.
Le matériau à réduire doit être suffisamment perméable au gaz réducteur pour que la réaction se fasse dans la totalité de sa masse, sinon l'effet ne sera actif que sur la surface du produit.
L'atmosphère du four doit donc être conduite de manière à produire un flux gazeux avide d'oxygène au bon moment, lorsque la liaison de cet élément s'affaiblit dans les composés devant être réduits. Les composés oxydés ont chacun un niveau de réductibilité propre. L'action de la réduction ne peut être efficace que si elle est ciblée sur un niveau d'énergie correspondant à un ou plusieurs composés affaiblis pouvant céder totalement ou partiellement leur oxygène. Le type de gaz réducteur produit, sa teneur dans le four et la température caractérisent le pouvoir de réduction de l'atmosphère.
Pour la plupart des cuissons céramiques traditionnelles avec phases de réduction, le principal gaz réducteur utilisé est le monoxyde de carbone (mais de l'hydrogène peut aussi être produit pendant la phase de réduction lors de la combustion incomplète d'hydrocarbures).
 
Le monoxyde de carbone est produit à partir de la combustion incomplète du carbone provenant d'un combustible gazeux (gaz naturel, propane…), d'un combustible liquide (fuel…), ou d'un combustible solide (charbon, bois…). Le monoxyde de carbone est le gaz réducteur qui est le plus facile à produire dans la gamme de température des céramiques traditionnelles.
On parvient à créer l'atmosphère réductrice dans un four en réduisant l'air de combustion, ou en augmentant de débit de combustible. L'essentiel étant d'y parvenir au bon moment, à la bonne température, et avec un taux d'imbrûlés raisonnable (taux de C, CO, H2…).
 
Exemple avec du propane :
 
En combustion oxydante complète :
C3H8 + 5(O2+4N2) ---> 3 CO2 + 4 H2O + 20 N2
Propane + air ---> gaz carbonique + eau + azote
 
En combustion avec manque d'air de 20% :
C3H8 + 4(O2+4N2) ---> CO + 2CO2 + 3H2O + H2 + 16 N2
Propane + air ---> monoxyde de carbone + gaz carbonique + eau + hydrogène + azote
 
Une réaction de réduction est aussi possible à partir d'une atmosphère fumeuse chargée de particules de carbone très fines et très avides pour l'oxygène qui agissent par contact avec les composés à réduire présents à la surface des pièces. C'est en partie le cas lors de la réduction de l'oxyde de cuivre en cuivre métallique pendant l'enfumage effectué à l'issue des cuissons de raku. Il faut à fin de ce traitement refroidir très rapidement les pièces, sinon le cuivre métallique se ré-oxyde rapidement à l'air et l'effet métal ne dure que quelques instants.
 
La cuisson réductrice est généralement produite en four à gaz ou à autres combustibles (bois, charbon, fuel…). Elle ne convient pas pour les four électriques dont elle endommage les résistances, ou alors ceux-ci doivent être isolés de l'atmosphère par une gaine ou un moufle.
 
Le domaine de la cuisson réductrice concerne surtout les hautes températures (de 1100°C à 1350°C) pour le grès et la porcelaine.
 
Attention : Les thermocouples de type " S " en platine-platine rhodié ne supportent la réduction que s'ils sont gainés dans des tubes d'alumine étanches. Un thermocouple exposé nu dans une atmosphère réductrice se volatilise en quelques secondes !!
 
Effets de la réduction sur les couleurs :
 
En cuisson oxydante, donc en présence d'oxygène dans l'atmosphère, les oxydes métalliques qui composent les couleurs des glaçures sont maintenus dans leur état d'oxydation le plus élevé et sont très stables ainsi. Les couleurs qui sont développées dans cet état d'oxydation sont uniformes et facilement reproductibles. La reproductibilité sera la meilleure en four électrique, où l'état d'oxydation est assuré de façon homogène, aucune combustion ne contribuant à la production de chaleur (sauf dans le cas de cuissons de décors contenant des matières organiques).
Dans le cas d'une cuisson avec une atmosphère en défaut d'oxygène, où des composés combustibles sont incomplètement oxydés, les oxydes métalliques de la glaçure subissent des niveaux d'altération variables selon leur réductibilité, leur contact avec l'atmosphère réductrice, l'épaisseur de la glaçure, le pouvoir réducteur de l'atmosphère, la température, le moment choisi et la durée de la réduction, l'emplacement dans le four, etc. Ceci produit des variations de teintes très subtiles qui ne sont pas identiques d'une pièce à l'autre. La reproductibilité ne s'opère que dans une palette d'effets aux larges variations, et rend ce type de cuisson assez incertaine. C'est ce qui contribue au côté mystérieux et surprenant suscitant l'engouement pour cette pratique de cuisson, garantissant des émotions fortes à chaque ouverture du four…
 
Les oxydes de fer et de cuivre sont très sensibles à la réduction.
 
Ainsi, par exemple, l'oxyde ferrique (Fe2O3) ou oxyde de fer rouge peut produire des verts, des noirs ou des bleus lorsqu'il subit les effets de la réduction. Ces couleurs sont dues à sa transformation en oxyde ferreux (FeO). Ces réactions s'opèrent au delà de 900°C.
Les glaçures " Céladon " sont des glaçures colorées à l'oxyde de fer cuites sous atmosphère réductrice. La transformation de l'oxyde ferrique en oxyde ferreux donne sa teinte vert-bleu à la glaçure, sinon elle serait jaune.
 
Quant à l'oxyde de cuivre (CuO) ou oxyde cuivrique qui donne une couleur verte, celle-ci vire au brun noir par transformation en oxyde cuivreux (Cu2O) ou devient cuivre métallique (Cu) assez facilement en dessous de 800°C.
 
Les glaçures de grand feu au rouge de cuivre " sang de bœuf " obtenues par réduction sont parmi les plus difficiles à produire. La coloration rouge résulte d'une dispersion de très fines particules de cuivre à l'état métallique au sein de la glaçure.
 
La réduction de la plupart des glaçures doit se faire vers la fin de la cuisson lorsque celles-ci sont fluides. Il faut poursuivre la réduction au refroidissement jusqu'à ce que la glaçure soit très visqueuse et que la ré-oxydation ne puisse plus agir. On peut aussi arrêter la chauffe et fermer toutes les ouvertures du four pour empêcher l'air d'y pénétrer.
 
Réduction à basse température :
 
Dans la cuisson raku, la réduction est faite en dehors du four, dans un récipient étanche où les pièces incandescentes sont introduites en même temps que des matières organiques (feuilles sèches, sciure, chiffons…). En voulant brûler sous l'effet de la température élevée ces matières organiques consomment totalement l'oxygène du récipient et produisent du monoxyde de carbone (CO) et du carbone (C) qui cherchent activement à extraire l'oxygène contenu dans la glaçure et les couleurs présentes en surface des produits. L'effet produit est a la fois une réduction de surface et un enfumage.
 
Enfumage :
 
L'enfumage est produit par une réduction poussée à l'extrême en fin de cuisson, de sorte que la privation d'oxygène quasi totale sature l'atmosphère de carbone imbrûlé en particules très fines. Ce qui produit une fumée noire qui envahit le four et imprègne la surface des produits non émaillés qui auront après refroidissement une teinte allant du gris au noir. La teinte est ainsi due au combustible et non à une transformation dans le tesson.
Dans le cas d'un enfumage sur produit émaillé mené avant et pendant la vitrification de la glaçure, le carbone emprisonné par celle-ci ne pouvant plus entrer en combustion même si l'atmosphère redevient oxydante lui donnera une teinte grise plus ou moins foncée.
 
Bleuissage :
 
Cette opération sert à donner un éclat argenté, gris métal aux pièces cuites par introduction de matières combustibles fortement carbonées en fin de cuisson. Les hydrocarbures ou les matières carbonées se décomposant à température élevée créent un dépôt de carbone amorphe sur les pièces cuites. Selon certains auteurs, en présence d'oxyde ferrique, la décomposition du combustible à haute température peut produire du carbure de fer (Fe3C), et parfois aussi du graphite. Ce sont ces composés qui contribuent au bleuissage. La présence de vapeur d'eau pendant la décomposition du combustible et un refroidissement rapide sans air en fin de traitement assurent généralement de bons résultats.
 
Réduction de la pâte :
 
Ce procédé est notamment utilisé pendant la cuisson de la porcelaine pour rendre la pâte plus blanche. La réduction agit principalement sur l'oxyde de fer ferrique (Fe2O3) présent dans les matières premières (kaolins et feldspaths), elle empêche celui-ci de jaunir la pâte. La réduction des composés ferriques du fer en composés ferreux donne une teinte vert bleu pâle qui contribue à la blancheur de la pâte après cuisson.
 
Fe2O3 + CO ----> 2FeO + CO2 (FeO, oxyde de fer ferreux)
 
La phase réductrice est produite à partir de 900°C jusqu'à 1400°C et parfois au-delà, la fin de la cuisson se faisant en oxydation.
Il est important que la glaçure et la pâte soient encore suffisamment perméables pour permettre la pénétration du gaz réducteur (Principalement CO), mais aussi pour permettre au CO2 formé de s'échapper. La vitesse de montée en température doit être adaptée en conséquence.
 
Dans une pâte de type " grès ", la transformation de l'oxyde ferrique en oxyde ferreux par la réduction au dessus de 1200°C entraîne la formation de silicate de fer ou fayalite FeSiO4 (2FeO + SiO2), eutectique dont le pouvoir "fondant" sur la pâte est assez brutal si la teneur initiale en Fe2O3 est élevée. FeO agit donc comme un fondant rapide envers la silice. Si la réduction s'étend en profondeur dans une pâte contenant Fe2O3 en bonne quantité, elle risque de créer des déformations.
Sans l'effet réducteur, l'oxyde ferrique Fe2O3 ne réagit pas directement avec la silice.
 
La réaction Fe2O3 + SiO2 ---> 2FeO.SiO2 + 1/2 O2 intervient à haute température, la formation de fayalite s'accompagne d'un dégagement d'oxygène qui peut produire des gonflements si l'effet fondant est trop brutal.
 
Monoxyde de carbone (CO) :
 
Ce gaz est très toxique, incolore et inodore. Sa présence dans l'air à hauteur de 0.5% provoque l'asphyxie. Le CO est le résultat d'une combustion incomplète du carbone.
Voir l'article toxicologique de E. Bastarache sur le monoxyde de carbone
 
Il brûle dans l'oxygène ou dans l'air en formant une flamme bleue : CO + ½ O2 ---> CO2
 
Par le passé, le CO a été utilisé comme combustible nommé " Gaz pauvre ".
 
C'est un réducteur énergique à haute température.
 
Ce gaz se dissocie facilement vers 400-450°C en présence de composés du fer et produit le type de réaction suivant :
2 CO ---> CO2 + C avec production de fumée (ou dépôt de carbone) et de gaz carbonique CO2.
Au-delà de 1000°C et en absence d'oxygène, la réaction s'inverse, le carbone brûle en réduisant le gaz carbonique pour former du monoxyde de carbone : CO2 + C ---> 2 CO
 
Rendement thermique de la combustion :
 
Le rendement thermique maximum d'un four à combustible correspond à la combustion complète produisant une atmosphère neutre. C'est à dire, lorsqu'on brûle le combustible avec une juste quantité d'air pour qu'il n'y ai ni réduction ni oxydation, ce que l'on nomme aussi combustion stœchiométrique ou neutre.
Ceci vaut pour les fours dits " atmosphériques ", ceux qui utilisent l'air comme comburant pour apporter l'oxygène nécessaire à la combustion.
L'air contient environ 21% d'oxygène et 79% d'azote. L'azote se comporte comme un gaz inerte dans la combustion, il ne subit aucune transformation. Sa forte proportion dans l'air fait qu'il occupe aussi un volume important dans le flux gazeux issu de la combustion qui parcourre le four. L'azote se réchauffe en absorbant une grande partie de la chaleur produite par la combustion et agit comme un amortisseur de l'effet thermique.
 
Le rendement peut donc être considérablement augmenté si à la place de l'air on utilise un mélange d'air et d'oxygène ou de l'oxygène pur. La chaleur produite par la combustion neutre sera concentrée dans un volume de gaz de combustion plus réduit contenant peu ou pas du tout d'azote, la flamme sera beaucoup plus chaude.
 
Exemple de la combustion complète du méthane :
 
1) Dans l'air : CH4 + 2(O2 + 4N2) ---> CO2 + 2H2O + 8 N2
1 m³N(*) de méthane brûle complètement en produisant 11 m³N de gaz de combustion contenant 72,7% d'azote. La température de flamme peut atteindre au maximum 1940°C.
 
2) Dans l'oxygène pur : CH4 + 2O2 ---> CO2 + 2H2O
1 m³N de méthane brûle complètement en produisant 3 m³N de gaz de combustion seulement. La température de flamme peut atteindre au maximum 2760°C !!
 
Les combustions à l'oxygène pur sont utilisées en céramique pour la cuisson de matériaux spéciaux, tels que certains réfractaires de type "carbure de silicium recristallisé" et autres produits spéciaux.
 
(*) m³N : Mètre Cube Normal, c'est un volume de 1 m³ d'un gaz considéré à la température de 0°C sous pression atmosphérique (1013 mbar).
 
Le rendement thermique diminue avec la cuisson oxydante, l'air en excès refroidit les gaz de combustion. Ainsi, un four à combustible mal réglé où l'excès d'air est trop important ne peut parvenir à atteindre la température désirée… Un excès d'air de 100% dans une combustion de gaz naturel ne permet pas de dépasser 1150-1160°C, s'il est de 140% la température plafonnera à 1000°C… et pour 200% elle aura du mal à atteindre 800°C.
Il en est de même pour la cuisson réductrice, celle-ci affecte encore un peu plus la chute du rendement par la réaction de combustion incomplète qui dégage moins de chaleur.
Pour une même quantité de combustible, la chaleur produite en combustion réductrice est plus faible qu'en combustion oxydante.
 
Attention, lors du changement d'atmosphère, allant de combustion oxydante en combustion réductrice dans un four a combustible, le passage par la combustion neutre est inévitable, il doit être le plus bref possible car le haut rendement de la combustion neutre risque d'élever fortement la température.
 
La température de l'air joue aussi un rôle important dans le rendement thermique. Un air réchauffé par un échangeur utilisant la chaleur récupérée au niveau de la cheminée du four ou dans ses parois permet d'augmenter le rendement thermique du four.
 
Au début de la cuisson, il faut toujours un excès d'air important afin d'éviter une montée en température trop rapide. L'excès d'air est le seul moyen permettant d'agir sur l'allure de chauffe, soit par ajout d'air ou soit par diminution du combustible.
 
Dans tous les cas il faut doser à leur juste mesure les effets d'oxydation ou de réduction, car ils coûtent cher en énergie.
 
 
Glaçures réductrices au Carbure de Silicium (SiC) :
 
En cuisson oxydante, du carbure de silicium (SiC) finement broyé (40 à 80 µ) et mêlé intimement à la glaçure produit un effet de réduction important sur les oxydes métalliques tels que le cuivre ou le fer. Attention de ne pas introduire SiC au-delà de 1 à 2 %, car un fort bouillonnement pourrait se produire dans le cas où l'oxydation du carbone a lieu après un ramollissement trop avancé de la glaçure (cas des glaçures au plomb et/ou au bore). Ce type de réduction entre phases solides convient mieux pour les glaçures de hautes températures.
Les bouillonnements sont toutefois toujours latents avec l'utilisation de ce composé et il est par conséquent aussi utilisé pour produire des glaçures bouillonnées (glaçures volcaniques).
 
SiC (solide) + 2 O2 (pris aux oxydes métalliques) -------> SiO2 (solide) + CO2 (gazeux)
 
Ex : L'ajout de 0.5 % de SiC très fin dans une glaçure contenant 1 à 1.5 % de carbonate basique de cuivre peut produire une couleur rouge ou une couleur verte avec des particules métalliques cuivrées ou des points rouges (selon la finesse utilisée et la qualité de la dispersion). La présence de dioxyde d'étain dans la glaçure favorise le développement de la teinte rouge de cuivre (oxblood, sang de boeuf). Un palier assez long à la température la plus haute permettra de napper la glaçure si les dégagements de CO2 ont produit des cratères pendant la réduction.
 
Composition de l'air sec :
 
L'atmosphère gazeuse terrestre se compose principalement de deux éléments : l'azote et l'oxygène. Le premier représente environ 78 % de l'air que nous respirons, le reste étant l'oxygène pour 21% et une dizaine d'éléments gazeux en très petites quantités représentent le 1% manquant.
 
 

Composants

Symbole chimique

% dans l'air sec

Masse molaire

Azote

N2

78.0900

28.016

Oxygène

O2

20.9500

32.000

Argon

A

0.9300

39.944

Néon

Ne

18 x 10-4

20.183

Méthane

CH4

2 x 10-4

16.042

Krypton

Kr

1 x 10-4

83.070

Hélium

He

5.24 x 10-4

4.003

Dioxyde de carbone

CO2

3 x 10-2

44.010

Hydrogène

H2

5 x 10-5

2.016

Xénon

Xe

8 x 10-6

131.300

Radon

Rn

6 x 10-8

222.000

Ozone

O3

1 x 10-6

48.000

Oxyde de carbone

CO

traces variables

28.010

 
 
 
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