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Procédés métallurgiques et origine des laitiers
Avant d’étudier les laitiers sidérurgiques, il est important de connaitre les différents procédés sidérurgiques utilisés lors de la fabrication de l’acier ou des alliages silicomanganèse. Nous pourrons ainsi mieux connaître comment les laitiers sont produits et quelle est leur origine lors des processus métallurgiques. Deux procédés sidérurgiques sont présentés dans cette partie : celui de la production d’acier et celui de la production d’alliage silicomanganèse.
Présentation des procédés sidérurgiques métallurgiques
Acier
L’acier est un alliage à base de fer comportant un faible pourcentage de carbone (de 0,008 à environ 2,14 % en masse). Il est utilisé dans tous les domaines du quotidien, aussi bien dans la construction que dans les secteurs automobile ou du packaging (boites de conserves, canettes…). Compte tenu du besoin en propriétés très diverses, il existe plus de γ000 nuances d’aciers répertoriées. L’acier peut s’élaborer suivant deux processus : la filière « fonte », où du minerai de fer et de coke sont combinés pour produire de la fonte, qui sera ensuite transformée en acier dans un convertisseur, et la filière « électrique » où des aciers et des ferrailles de récupération sont fondus dans un four électrique, puis remis à nuances.
Alliage silicomanganèse
L’alliage silicomanganèse est un alliage silicium-manganèse avec des teneurs en manganèse allant jusqu’à 70%. La teneur en silicium varie de 16 à γ0%. Les autres éléments d’alliage sont le fer et le carbone. Le manganèse est principalement utilisé comme ajout dans les étapes finales de production d’aciers ou d’alliages afin de leur apporter des propriétés particulières (augmentation de la dureté, de la résistance, utilisation en tant qu’agent désoxydant). L’oxyde de manganèse est utilisé dans le domaine des cellules de batteries et comme agent désinfectant dans la médecine ou la chimie (permanganate de potassium). L’alliage silicomanganèse est aujourd’hui exclusivement produit par réduction carbothermique dans un four à arc électrique de type SAF (Submerged Arc Furnace).
Origine des laitiers
Lors de la fabrication d’acier ou d’alliage silicium-manganèse, il se forme des coproduits tels que les laitiers. Chaque laitier peut être considéré comme un produit unique car il résulte du type d’acier ou de l’alliage que l’on a voulu fabriquer. Pendant la fabrication de l’acier par haut fourneau et convertisseur, on obtient deux types de laitiers : les laitiers de haut fourneau et les laitiers d’aciérie de conversion. Pour la fabrication d’alliages silicomanganèse par voie électrique, on obtient le laitier de silicomanganèse. En sidérurgie, les laitiers purifient l’acier en absorbant les impuretés issues des minerais de fer. Dans cette partie, nous définirons l’origine de ces laitiers dans les différents procédés métallurgiques en reprenant les filières présentées précédemment.
Le laitier de haut fourneau
Pour fabriquer de l’acier industriel, le minerai de fer aggloméré est chargé dans la partie supérieure du haut fourneau en couches alternées avec du coke, un combustible puissant proche du carbone pur fabriqué à partir de charbon. On insuffle de l’air chaud et du charbon pulvérisé dans le bas du haut fourneau à une température proche de 1200°C. Ceci provoque la combustion du coke qui entraine la fusion du minerai, ainsi que la formation d’un gaz réducteur qui transforme les oxydes de fer du minerai en métal, formant ainsi du CO et du CO2. On recueille alors la fonte liquide à 1500°C (environ 96% Fe et 4% C) et le laitier dans le bas du haut fourneau .
Les constituants non-métalliques et/ou non absorbés par la fonte et non gazeux constituent le laitier de haut fourneau, qui est à l’état liquide. Il surnage car sa densité d’environ γ, est inférieure à celle de la fonte qui est de 7. La séparation de la fonte et du laitier se fait par un dispositif de siphonage. On parle de laitiers de fraiche production lorsqu’ils entrent, dès leur élaboration, dans la filière de valorisation par opposition aux laitiers de stock ou de crassiers, qui sont issus de productions non valorisées constituées au fil des décennies.
On peut obtenir deux types de laitiers de haut fourneau suivant le processus de refroidissement :
– Le laitier de haut fourneau est cristallisé lorsqu’il est dirigé par une rigole vers des fosses où il refroidit et se cristallise lentement à l’air sous forme de roche dure. Après le début de la solidification, ce laitier est arrosé afin d’en abaisser la température puis fragmenté, concassé et criblé.
– Le laitier de haut fourneau est dit vitrifié, ou granulé, s’il est dirigé vers un dispositif dans lequel il subit une trempe (arrosage violent et abondant d’eau sous haute pression). L’énergie calorifique contenue dans le laitier en fusion provoque son explosion et forme instantanément de fines particules d’un produit vitreux désordonné. Il possède ainsi une énergie interne plus élevée qu’à l’état cristallin, ce qui le rend plus réactif chimiquement [Divet et al, 2006]. Lors de son hydratation, le laitier évoluera sous une forme cristalline stable pouvant être mise à profit pour les formulations de ciments ou de bétons.
On distingue deux types de laitiers vitrifiés :
– le laitier vitrifié granulé, pour lequel le refroidissement se fait en bassin ou par jet d’eau sous pression. Le principe de la granulation est d’extraire le plus possible de chaleur d’une quantité de laitier fondu, en un minimum de temps.
– le laitier vitrifié bouleté soumis à deux types d’actions, un jet d’eau et une action mécanique. Le laitier liquide se déverse sur un tambour tournant cannelé qui comporte des trous en périphérie, alimentés en eau sous pression. Les particules de laitiers sont alors projetées à plusieurs mètres du tambour, ce qui permet une trempe à l’air pendant la durée du trajet des particules.
Le laitier de convertisseur
La fonte liquide obtenue dans le haut fourneau est versée sur un lit de ferrailles dans un convertisseur. On y insuffle de l’oxygène pour brûler la plus grande partie du carbone et oxyder les impuretés contenues dans la fonte. Ces réactions sont favorisées par l’action combinée du brassage du bain par le jet d’oxygène et de la température (température du bain supérieure à 1650°C en fin d’élaboration). L’affinage par l’oxygène transforme la fonte liquide en acier liquide en assurant simultanément l’élimination du carbone, et le transfert du silicium, du manganèse et du phosphore vers le laitier. Lors de cette opération, de la chaux est introduite dans le convertisseur, elle y joue un rôle très important dans la rétention des composés issus de l’oxydation. En effet, les « poisons » (C, Si, Mn, P, S) ont une affinité plus ou moins marquée pour l’oxygène. La chaux fixe dans le laitier les éléments poisons pour l’acier, pour obtenir un acier plus pur. La chaux permet de baisser le point de fusion du laitier. Elle permet également de protéger les briques réfractaires constituées de magnésie présentes dans le convertisseur car à cause de l’acidité du laitier venant de la silice, ces briques s’érodent : la magnésie est consommée et se retrouve dans le laitier [Ofrir, 2006]. De la chaux magnésienne est injectée dans le convertisseur, pour atteindre la saturation en chaux et/ou magnésie du laitier, et ainsi éviter la dissolution de la magnésie des réfractaires. L’acier sauvage est ainsi obtenu, mais sa composition finale est obtenue après la station d’affinage qui suit le convertisseur, où l’on injecte les composés chimiques permettant la mise à nuance de l’acier commandé (Mn, Si, Cr, Ni…). Il est encore possible à ce stade de retirer des impuretés (oxygène dissout, carbone, soufre).
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Table des matières
Introduction Générale
Chapitre I – Etude bibliographique
Laitiers sidérurgiques et de production d’alliages silicomanganèse, origine et propriétés générales
1. Procédés métallurgiques et origine des laitiers
1.1 Présentation des procédés sidérurgiques métallurgiques
1.1.1 Acier
1.1.2 Alliage silicomanganèse
1.2 Origine des laitiers
1.2.1 Le laitier de haut fourneau
1.2.2 Le laitier de convertisseur
1.2.3 Le laitier de silicomanganèse
2 Propriétés générales des laitiers de l’étude
2.1 Le laitier de haut fourneau
2.1.1 Caractéristiques physico-chimiques et minéralogiques
2.1.2 Applications, valorisation
2.1.3 Hydratation du laitier de haut fourneau
2.1.3.1 Réactivité hydraulique du laitier
2.1.3.2 Processus d’hydratation
2.1.3.3 Activation du laitier
2.1.4 Propriétés des ciments au laitier de haut fourneau
2.1.5 Risque d’instabilité volumique
2.1.6 Caractéristiques environnementales
2.2 Le laitier de convertisseur
2.2.1 Caractéristiques physico-chimiques et minéralogiques
2.2.2 Application, valorisation
2.2.3 Hydratation du laitier de convertisseur
2.2.3.1 Réactivité du laitier de convertisseur
2.2.3.2 Processus d’hydratation
2.2.4 Propriétés des ciments au laitier de convertisseur
2.2.5 Risque d’instabilité volumique
2.2.6 Caractéristiques environnementales
2.3 Le laitier de silicomanganèse
2.3.1 Caractéristiques physico-chimiques et minéralogiques
2.3.2 Application, valorisation
2.3.3 Réactivité du laitier de silicomanganèse
2.3.3.1 Pouvoir hydraulique
2.3.3.2 Pouvoir pouzzolanique
2.3.4 Propriétés des ciments au laitier de silicomanganèse
2.3.5 Risque d’instabilité volumique
2.3.6 Caractéristiques environnementales
Conclusions
Références bibliographiques
Chapitre II – Matériaux, Matériels et méthodes expérimentales
1 Matériaux de départ
1.1 Laitier de haut fourneau
1.1.1 Laitier granulé de haut fourneau
1.1.2 Laitier moulu de haut fourneau
1.2 Laitier d’aciérie de convertisseur
1.3 Laitier de silicomanganèse
2 Matériels et techniques expérimentales
2.1 Techniques de broyage des laitiers
2.2 Méthode de fabrication des systèmes cimentaires
2.2.1 Choix des matériaux
2.2.2 Fabrication des éprouvettes de mortier
2.3 Méthodes de caractérisation des systèmes cimentaires
2.3.1 Mesure de la résistance mécanique
2.3.2 Mesure de la porosité
2.3.3 Mesure du temps de prise
2.4 Caractérisation des matériaux
2.4.1 Caractérisation granulométrique
2.4.1.1 Séparation des fractions granulométriques au cyclosizer
2.4.1.2 Granulométrie laser par voie humide
2.4.1.3 Finesse
2.4.2 Caractérisation chimique et minéralogique
2.4.2.1 Préparation des échantillons
2.4.2.2 Méthodes de dosage utilisées pour les analyses chimiques
2.4.2.3 Mise en solution sélective des échantillons
2.4.2.4 Mise en solution totale des échantillons
2.4.3 Appareils utilisés
2.4.3.1 Spectroscopie atomique à source plasma
2.4.3.2 Diffraction des rayons X
2.4.3.3 Analyse thermique
2.4.3.4 Microscopie électronique à balayage
2.5 Etude de la réactivité hydraulique ou pouzzolanique des laitiers
2.5.1 Tests d’hydraulicité
2.5.2 Tests de pouzzolanicité
2.6 Etude environnementale
2.6.1 Formulation et conservation des pâtes de ciment
2.6.2 Essais de lixiviation sur les matériaux concassés, inférieurs à 4mm
2.6.3 Essais de lixiviation sur les matériaux sous forme monolithique
2.6.4 Analyse des éluas de lixiviation par ICP/OES et ICP/MS
Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre III – Broyabilité des laitiers, caractérisation granulométrique
1 Etude de la broyabilité des laitiers
1.1 Méthode expérimentale
1.2 Mesure du refus en fonction de temps de broyage
1.3 Suivi de la granulométrie des laitiers en fonction du temps de broyage
1.4 Suivi de la finesse des laitiers en fonction du temps de broyage
2 Caractérisation granulométrique des laitiers utilisés lors de la formulation des systèmes cimentaires
2.1 Choix du temps de broyage des laitiers
2.2 Observation des grains de laitiers au MEB
2.3 Caractérisation granulométrique des laitiers broyés utilisés dans les formulations cimentaires
2.4 Séparation de familles granulométriques
2.4.1 Fractions obtenues
2.4.2 Caractérisation granulométrique des fractions de laitier
2.4.2.1 Laitier de convertisseur broyé Lac
2.4.2.2 Laitier de silicomanganèse broyé
Conclusion
Références bibliographiques
Conclusion Générale
