TECHNOLOGIE DE PRODUCTION DE NICKEL-COBALT

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Procédé d’obtention de l’acier [3]

L’acier est un alliage de fer et de carbone. La teneur en carbone variant de 0,1 à 2%. Historiquement, sa fabrication fut longtemps un « secret » d’alchimiste, voire un secret d’Etat. L’acier possède un ensemble de propriétés mécaniques remarquables : une forte résistance à la traction et aux chocs, une bonne élasticité, une excellente dureté, qui lui assurent des emplois de plus en plus nombreux. Au cours du XXe siècle, l’acier est devenu le produit phare de la grande industrie.

Haut fourneau

La production de la fonte est le processus primaire d’obtention à partir des matières premières naturelles que sont les minerais de fer.
Minerais : oxydes ou carbonates associés à une gangue comme la magnétite Fe3O4, hématite Fe2O3 (teneur en Fer 70%), hématite brune (2Fe2O3, 3H2O), sidérose FeCO3 (teneur en fer 50 à 60%).
Traitements mécaniques : le minerai est concassé, criblé, criblé en fines puis enrichi afin d’élever la teneur en fer en éliminant la gangue.
Combustion : utilise le coke qui est le produit de distillation sèche des houilles de cokéfaction (900 à 1000°C).
Fondant : il est utilisé pour abaisser la température de fusion des gangues et des cendres de combustibles (calcaire, quartz, grés, quartzite).
Le chargement d’un haut fourneau s’effectue par le haut, les constituants descendent par gravité, fondent pour donner dans la partie basse la fonte et le laitier qui flotte à sa surface.
Les réactions d’oxydoréduction se produisent sous la forme :
C + O2 CO2 + 97,65 kcal/mol
CO2+ C 2 CO
2 Fe3O4 + 2 CO 6 FeO + 2 CO2 – 12,6 kcal/mol

Convertisseur

Pour obtenir de l’acier à partir de la fonte, il est nécessaire de diminuer le teneur en carbone ainsi que les impuretés dans des convertisseurs. La présence d’hydrogène fragilise l’acier.
L’acier est du fer à faible teneur en carbone. Pour bruler le carbone de la fonte, on souffle de l’air, ou mélange d’air et d’oxygène à travers le métal en fusion versé dans le convertisseur, grosse cornue d’acier d’une capacité de 25 à 50 tonnes.
On obtient aussi d’acier par affinage de la fonte dans le four électrique à arc.
Le four électrique sert essentiellement à produire des aciers alliés de haute qualité. Des ferrailles de choix et des additions de métaux divers y sont fondues par un arc électrique puissant qui jaillit entre les électrodes de graphite.la four électrique fonctionne quelques fois « duplex » en affinant de l’acier liquide obtenu par un procédé de conversion à l’oxygène.

Alliages d’acier

Ce sont des alliages fer-chrome contenant au moins 12% de chrome dont la structure dépend des éléments d’addition : ainsi, le nickel (élément gamma-gène) stabilise la structure austénitique, alors que le chrome et le molybdène favorisent la structure ferritique (éléments alpha-gènes). Il en existe de nombreuses nuances et leur domaine d’utilisation est étroitement lié à leur composition et à leur structure.
Le tableau ci-après regroupe quelques nuances classiques d’aciers inoxydables avec leur composition en éléments majeurs.
* : Signification de la norme AFNOR :
Z : aciers spéciaux, 2 : teneur en carbone (10-2 %), C : chrome, N : nickel
D : molybdène, U : cuivre.
La résistance à la corrosion des aciers inoxydables est essentiellement due à la formation en surface d’une couche passive qui apparaît naturellement à l’air et qui est constituée d’un oxyde riche en chrome, de faible épaisseur (environ 10 nm), et résistant. Ces matériaux doivent donc être employés dans des conditions où ils conservent cette passivité car des destructions locales de cette couche protectrice conduisent inévitablement à des phénomènes de corrosion localisée.

Propriétés métallurgiques

Elles sont définies par la désignation de l’acier, les caractéristiques mécaniques, les compositions chimiques du matériau et la soudabilité métallurgique.

Désignation de l’acier de pipeline

L’acier est du type API 5 L, de grade X 42 PSL1 API : American Petroleum Institut 5L : acier pour pipeline X 42 PSL 1 : grade de l’acier

Caractéristiques mécaniques

Le tableau suivant résume les caractéristiques mécaniques selon API Line Pipe-5L :
Tableau 3 : Les caractéristiques mécaniques selon API Line Pipe-5L [16]

Soudabilité métallurgique

Elle est définie selon la valeur de carbone équivalent notée Céq. Selon la valeur de Céq obtenue, la soudabilité sera différente :
• Si Céq<0,42%, la soudabilité métallurgique est bonne. Les aciers sont considérés comme parfaitement soudables sans préchauffage
• Si 0,45%<Céq<0,65%, la soudabilité métallurgique est moyenne. Il est nécessaire voire indispensable de prendre des dispositions spéciales lors du soudage comme le préchauffage. Calcul du carbone équivalent (Céq) C éq = %C + [%M %S ] + [% %M %V] + [% % ] = 0,248
Conclusion : la soudabilité métallurgique est bonne. Les aciers sont considérés comme parfaitement soudables sans préchauffage.

Revêtement de tube

En métallurgie, procéder à une opération de revêtement consiste à recouvrir le métal d’une couche superficielle protectrice ou d’une feuille de polyéthylène juste avant de l’enterrer. Il est facile pour les équipes de construction de l’installer sur place.

Technique de construction de tube pour pipeline

Il existe deux techniques de fabrication de tube :
• Coulée centrifuge « centrifugation »
• Tôles d’aciers roulées soudées

Centrifugation

La coulée par centrifugation est un procédé qui utilise la force centrifuge appliquée au métal coulé dans une carapace sable (procédé Croning ou moulage en boîte chaude) ou coquille métallique pour obtenir des pièces de forme généralement cylindrique.
Figure 14 : Coulée par centrifuge
1 : touret de centrifugation
2 : éjecteur,
3 : carapace sable,
4 : pièce coulée,
5 : louche de coulée
La fabrication de tube par centrifugation apporte beaucoup d’avantages :
• La centrifugation et la pression sur la matière provoque un dégazage et expulse vers la partie externe les impuretés contenues dans le bain de métal liquide,
• Obtenir une structure fine et compacte avec absence de retassures et de porosités,
• Usinage facilité du fait de la bonne tenue géométrique et structurelle de la matière,
• Réglage fin de l’épaisseur de la pièce par dosage de la quantité de métal coulée,
• Remplissage des zones peu épaisses et des formes extérieures en relief (collerette),
• Caractéristiques mécaniques les plus élevées obtenues en fonderie

Tôles d’aciers roulées soudées

Les tubes utilisés sont fabriqués à partir des tôles d’aciers roulées soudées obtenues par le formage d’un produit plat en un profil fermé. Ils sont profilés à froid ou fini à chaud à partir de tôles en bobine.
Les tôles sont formées à froid et soudées longitudinalement.
Figure 15 : Mise en forme des tôles [9]
La soudure longitudinale est faite selon le procédé de soudage HFI (Induction à Haute Fréquence). Des contrôles par radiographie aux rayons X et par ultrason doivent être faits pour assurer l’étanchéité des tubes.
En soudage par induction à haute fréquence, le chauffage est obtenu par des courants induits qui circulent dans la pièce. Les courants induits sont localisés  » en peau « , à la surface du métal sur une épaisseur de seulement quelques dixièmes de millimètres et il y a formation d’un film de métal liquide sur les bords à assembler.
La liaison est alors réalisée avec un effort de serrage assez faible et un refoulement réduit. Le tuyau est recuit en atmosphère inerte par l’unité de chauffage par induction.

Pompage de la pulpe [5]

Le pompage de la pulpe sera assuré par six pompes centrifuges
Figure 17 : Pompe à pulpe haute pression [5]

Principe de fonctionnement

Une pompe centrifuge est constituée par:
• une roue à aubes tournant autour de son axe
• un distributeur dans l’axe de la roue
• un collecteur de section croissante, en forme de spirale appelée volute.
Le liquide arrive dans l’axe de l’appareil par le distributeur et la force centrifuge le projette vers l’extérieur de la turbine. Il acquiert une grande énergie cinétique qui se transforme en énergie de pression dans le collecteur où la section est croissante.
L’utilisation d’un diffuseur (roue à aubes fixes) à la périphérie de la roue mobile permet une diminution de la perte d’énergie.

Amorçage

Les pompes centrifuges ne peuvent s’amorcer seules. L’air contenu nécessite d’être préalablement chassé. On peut utiliser un réservoir annexe placé en charge sur la pompe pour réaliser cet amorçage par gravité.
Pour éviter de désamorcer la pompe à chaque redémarrage il peut être intéressant d’utiliser un clapet anti-retour au pied de la canalisation d’aspiration.

Caractéristiques

Les hauteurs manométriques totales fournies ne peuvent dépasser quelques dizaines de mètres. Pour dépasser ces valeurs on utilise des pompes centrifuges multicellulaires où plusieurs roues sont montées en série sur le même arbre. Le refoulement d’une des pompes communique avec l’aspiration de la pompe suivante.

Utilisation

Ce sont les pompes les plus utilisées dans le domaine industriel à cause de la large gamme d’utilisation qu’elles peuvent couvrir, de leur simplicité et de leur faible coût. Néanmoins, il existe des applications pour lesquelles elles ne conviennent pas:
• utilisation de liquides visqueux: la pompe centrifuge nécessaire serait énorme par rapport aux débits possibles.
• utilisation de liquides « susceptibles » c’est-à-dire ne supportant pas la très forte agitation dans la pompe (liquides alimentaires tels que le vin, le lait et la bière).
• utilisation comme pompe doseuse: la nécessité de réaliser des dosages précis instantanés risque d’entraîner la pompe en dehors de ses caractéristiques optimales.
Ces types d’application nécessitent l’utilisation de pompes volumétriques.
Par contre, contrairement à la plupart des pompes volumétriques, les pompes centrifuges admettent les suspensions chargées de solides.

Réglage du débit

Trois moyens sont possibles:
• variation de la vitesse de rotation de la pompe par un dispositif électronique
• vanne de réglage située sur la canalisation de refoulement de la pompe pour éviter le risque de cavitation
• réglage en « canard » avec renvoi à l’aspiration d’une partie du débit
Le réglage du débit est important pour des besoins dus au procédé mais aussi pour se placer dans des plages de fonctionnement où le rendement est meilleur.

TECHNOLOGIE DE PROTECTION CONTRE LA CORROSION

Corrosion des matériaux métalliques 

Généralités 

Les métaux se dégradent sous l’effet de trois causes principales : l’usure, la fatigue et surtout la corrosion.
La corrosion est une destruction relative lente et progressive qui résulte d’une attaque chimique à basse température (t<100°C) effectuée par les agents atmosphériques, par l’eau ou sa vapeur ou par les divers produits chimiques.
La corrosion se traduit généralement par les effets suivants : diminution de poids, altération de la surface et affaiblissement des propriétés mécaniques.

Classement de la corrosion

Les phénomènes de corrosion sont généralement classés en deux grandes catégories :
• la corrosion électrochimique (en milieu marin)
• la corrosion chimique (la corrosion sèche oxydante à haute température)
Ce travail n’abordera que la corrosion humide pour laquelle la protection cathodique peut être efficace.

Mécanismes de la corrosion 

La corrosion est un phénomène très complexe qui n’est pas encore totalement élucidé. Cependant, en général, la corrosion résulte du fonctionnement de piles électriques microscopiques qui se constituent entre divers parties non identiques du métal ; le courant électrique qui prend naissance crée une électrolyse entrainant des modifications chimiques du métal.

Table des matières

INTRODUCTION
PARTIE I. PRESENTATION DU CAMPAGNE D’INFORMATION A AMBATOVY DE PHELPS DODGE MADAGASCAR
A. HISTORIQUE
B. STRUCTURE DU PROJET
C. LES ACTIVITES DU PROJET AMBATOVY
1. Le site de la mine
2. Pipeline de pulpe
3. L’usine de traitement
4. Infrastructure de support
PARTIE II. ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES
A. TECHNOLOGIE DE PRODUCTION DE NICKEL-COBALT
1. Généralités sur le nickel et cobalt
1.1. Caractéristiques du nickel
1.2. Caractéristiques du cobalt
2. Minerais de Nickel et Cobalt
3. Gisement de MORAMANGA Ambatovy – Analamay
4. Technologie d’extraction
4.1. Hydrométallurgie
4.2. Technologie du projet Ambatovy
B. MATERIAUX DE PIPELINE
1. Pipeline
1.1. Généralité
1.2. Caractéristiques
1.3. Installation
1.4. Opération
2. Technologie de production d’acier pipe
2.1. Fer et Carbone.
2.1.1. Le fer
2.1.1.1. Généralité
2.1.1.2. Caractéristiques
2.1.2. Le carbone
2.1.2.1. Généralité
2.1.2.2. Caractéristiques
2.1.3. Diagramme d’équilibre : Fer-cémentite
2.2. Procédé d’obtention d’acier
2.2.1. Haut fourneau
2.2.2. Convertisseur
2.2.3. Alliages d’acier
2.3. Propriétés métallurgiques
2.3.1. Désignation de l’acier
2.3.2. Caractéristiques mécaniques
2.3.3. Composition chimique
2.3.4. Soudabilité métallurgique
2.3.5. Revêtement de tube
2.4. Technique de construction de tube pour pipelines
2.4.1. Centrifugation
2.4.2. Tôles d’aciers roulées soudées
3. Pompage de la pulpe
3.1. Principe de fonctionnement
3.2. Amorçage
3.3. Caractéristiques
3.4. Utilisation
3.5. Réglage de débit
C. TECHNOLOGIE DE PROTECTION CONTRE LA CORROSION
1. Corrosion des matériaux métalliques
1.1. Généralités
1.2. Classement de la corrosion
1.3. Mécanismes de la corrosion
1.4. Corrosion aqueuse
1.4.1. Corrosion galvanique
1.4.2. Corrosion par aération différentielle
1.4.3. Les piqûres
2. Principe de la corrosion électrochimique
3. Protection électrochimique
3.1. Potentiel d’électrode des métaux
3.2. Diagramme d’Ellingham
3.3. Comparaison des tensions d’électrodes
3.4. Diagramme de POURBAIX
4. La protection anodique
D. LA PROTECTION CATHODIQUE
1. Densité de courant de protection
2. Protection par anode sacrificielle
2.1. Principe
2.2. Durée de vie
2.3. Choix des anodes sacrificielles
2.4. Caractéristiques des anodes
3. Protection par courant imposé
3.1. Principe
3.2. Domaines d’application
3.3. Réalisation des soutirages
3.4. Densité de protection
3.5. Caractéristiques du générateur
3.6. Choix du déversoir ou masse anodique
3.7. Calcul de la résistance anodique
3.8. Méthode de minimisation de la résistance
3.8.1. Augmentation du nombre d’anodes
3.8.2. Utilisation d’un backfill
3.9. Calcul du nombre minimal d’anode
3.10. Redresseur électrique autorégulée
4. Constituant typique d’un poste de soutirage
4.1. La source d’énergie
4.1.1. Introduction
4.1.2. Description du système
4.1.3. Conception du système photovoltaïque
4.2. Les câbles de liaison
4.3. Appareillages électriques auxiliaire
4.4. Contrôle du système de protection
PARTIE III. METHODOLOGIE DE CALCUL SUR LA PROTECTION CATHODIQUE
A. DETAIL DE CALCUL D LA PROTECTION CATHODIQUE
1. Base de calcul
1.1. Caractéristique de la canalisation
1.2. Caractéristiques des déversoirs
1.3. Durée de vie
1.4. Résistivité de sol
1.5. Densité de courant
2. Dimensionnement pour le tuyau de 1 km
2.1. Surface à protéger
2.2. Courant de protection
2.3. Equation de la réaction
2.4. Nombre de dispositif anodique
2.4.1. Consommation massique d’anode
2.4.2. Nombre minimale d’anode
2.4.3. Résistance du déversoir
2.5. Raccordement de tube
3. Détail de calcul sur la protection de chaque 55 km
3.1. Surface à protéger
3.2. Courant de protection
3.3. Nombre de dispositif anodique
3.3.1. Consommation massique d’anode
3.3.2. Nombre minimale d’anode
3.4. Dimensionnement de l’installation photovoltaïque
3.4.1. Dimensionnement des panneaux solaires
3.4.2. Capacité réelle du parc de batterie
3.4.3. Nombres de batteries
3.4.4. Régulateur
3.5. Principe d’implantation des équipements
4. Détail de calcul sur la protection du rejet de 2 km
4.1. Surface à protéger
4.2. Courant de protection
4.3. Nombre de dispositif anodique
4.3.1. Consommation massique d’anode
4.3.2. Nombre minimale d’anode
4.4. Dimensionnement des panneaux solaires
4.5. Capacité réelle du parc de batterie
4.6. Nombres de batteries
5. Résultat du dimensionnement de l’installation
B. PRESENTATION DU PROGICIEL DE CALCUL SUR LA PROTECTION CATHODIQUE PAR ENERGIE PHOTOVOLTAIQUE
C. ESSAI DE CORROSION EN LABORATOIRE
1. Introduction
2. Essai 1
2.1. Pile Fe-Cuivre
2.2. Schéma
2.3. Observations et commentaires
3. Essai 2
3.1. Pile Fer-Zinc
3.2. Schéma
3.3. Observations et commentaires
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIES
ANNEXES
Annexe A : NT280E1 – Module photovoltaïque monocristallin 280 Wc
Annexe B : Pompe à pulpe
Annexe C : Norme pour les produits et les méthodes de conception ou de contrôle de la protection cathodique (liste non exhaustive)
Annexe D : Désignation normalisée des métaux

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