Comportement du laitier de l’usine sidérurgique
d’El-Hadjar sur le mélange clinker

ANALYSE DE LA LITTERATURE SCIENTIFIQUE SUR LES LAITIERS DE HAUT FOURNEAU

Laitiers de haut fourneau 

Dans le procédé de réduction et de fusion du minerai de fer au haut fourneau, la fonte contient entre autres, tous les éléments (fer, manganèse, silicium…) qui sont réduits au cours de l‘opération ; les oxydes non réduits, quelle que soit leur provenance (gangue du minerai, additions, cendre du coke), se retrouvent dans un produit complexe, le laitier. Ce dernier est évacué du haut fourneau (sous forme liquide, en même temps que la fonte) ; son enthalpie est d‘environ 1800 MJ/t de laitier soit 3,5 % du bilan énergétique du haut fourneau (figure I.1).

Quantité de laitier élaboré

Pour chaque tonne de fonte la quantité de laitier produite dépend principalement de la masse des oxydes non réductibles enfournés, et est donc en raison inverse de la teneur en fer du minerai de fer. On a ainsi, jadis, produit jusqu‘à 130 kg de laitier par tonne de fonte, en enfournant des minerais contenant moins de 30 % de fer. À l‘inverse, certains hauts fourneaux sud-américains alimentés en minerais à plus de 60 % de fer, et dont le combustible est un charbon de bois à 3 ou 4 % de cendres, n‘en produisent pas beaucoup plus de 100 kg/t de fonte (Tamet, Argentine, 1982). En minerai riche (Dunkerque, Fos) on produit habituellement de 300 à 320 kg de laitier par tonne de fonte. Figure I.2 : le laitier de haut fourneau, Rocheux et Granulé (source : www.millenniummultitrade.com)

Caractéristiques du laitier

La masse volumique absolue varie de 2,85 à 3 t/m3 . La température de fusion et la viscosité du laitier dépendent de son analyse dans ce traité (Haut fourneau No 2 de Sollac à Fos 1992) ; pour les principaux oxydes constituant le laitier (chaux, silice, alumine, magnésie) on vise Chapitre I : Analyse de la littérature scientifique sur les Laitiers de haut fourneau Comportement du laitier de l’usine sidérurgique d’El-Hadjar sur le mélange clinker : Cas ERCE Hadjar-Soud – Skikda 3 donc des fourchettes de teneurs relativement étroites, mais les conditions locales de marche conduisent à des analyses de laitier fort diverses ; par exemple, pour s‘en tenir au repère de la basicité (i = CaO/SiO2), l‘échelle des valeurs va de 0,8 (haut fourneau sud-américain au charbon de bois) à 1,4 (ancienne marche en minerai lorrain non aggloméré) ; à Dunkerque et à Fos, la valeur de i est de 1,18 à 1,20. Le tableau I.2 donne une analyse mensuelle du laitier du haut fourneau N° 2 de Sollac à Fos ; la somme des teneurs en chaux, silice, alumine et magnésie atteint presque 93%, et justifie que l‘on ne considère généralement que ces quatre oxydes. La figure I.3 compare la position des laitiers et celle de divers matériaux dans le diagramme triangulaire chaux-silicealumine. Tableau I.2 : Analyse (% en masse) d’un laitier de haut fourneau (Haut fourneau no 2 de Sollac à Fos, 1992) Éléments CaO SiO2 Al2O3 MgO MnO TiO2 P2O5 FeO S K2O CaO + SiO2 + Al2O3 + MgO Teneur moyenne % 43,23 32,40 10,35 6,94 0,31 0.44 0.02 0.19 0.87 0.38 92.92 Figure I.3 : Situation du laitier de haut fourneau dans le système CaO-SiO2-Al2O3 Chapitre I : Analyse de la littérature scientifique sur les Laitiers de haut fourneau Comportement du laitier de l’usine sidérurgique d’El-Hadjar sur le mélange clinker : Cas ERCE Hadjar-Soud – Skikda 

Fabrication et propriétés des différentes formes de laitiers

Laitier rocheux (ou cristallisé)

Fabrication de laitier rocheux Le laitier rocheux s‘obtient en déversant le laitier liquide dans une fosse et en l‘y laissant refroidir le plus lentement possible. La fosse peut se trouver, comme au haut fourneau N°4 de Dunkerque, près de la halle de coulée du haut fourneau, et le laitier y est alors versé directement par un bec qui termine la rigole à laitier. Dans d‘autres cas (comme dans l‘usine japonaise de Chiba), le laitier est d‘abord versé dans des cuves en acier coulé placées sur des chariots circulant sur voie ferrée. Les fosses sont alors installées à distance du haut fourneau, et le laitier y est déversé par basculement des cuves. Après refroidissement, souvent avec arrosage, le laitier est extrait de la fosse par des moyens classiques en travaux publics : pelles sur chenilles et camions de chantier. Dans tous les cas, il faut au moins deux fosses, l‘une étant en remplissage, pendant que l‘autre est en exploitation. 

Produit obtenu de laitier rocheux

Le matériau extrait de la fosse est du laitier cristallisé, dont la granulométrie s‘étend de 0 à 300 mm ; il peut être concassé puis classé granulométriquement ; sa masse volumique en vrac est alors de 1,2 à 1,4 t/m3. Le laitier en morceaux ainsi obtenu est dur (coefficient Los Angeles de 20 à 24, norme P 18-573), résistant à l‘abrasion (coefficient Micro-Deval de 8 à 14, norme P 18-572) et compact ; il comporte une certaine porosité, due à l‘oxydation du soufre ; cette porosité (3 à 20 % en masse, norme P 18-554) a une influence sur la masse volumique du morceau (de 2,65 à 2,90 t/m3 ), sur la résistance mécanique (figure I.4), sur la conductivité thermique (de 0,5 à 0,8 W · m–1 · K–1 ) qui est sensiblement plus faible que celle des matériaux naturels (1,4 W · m–1 · K–1 pour le calcaire, 3,2 W · m–1 · K–1 pour le granite). Le module d‘élasticité varie de 70 000 à 95 000 MPa. La rugosité de la surface en fait un matériau très apte à être enrobé par des produits hydrocarbonés. 

Conditions de fabrication de laitier rocheux

Au refroidissement, les principaux oxydes constituant le laitier peuvent s‘unir en plus d‘une quinzaine de composés, tels que la gehlénite (2 CaO. Al2O3. SiO2) ou l‘akermanite (2CaO. MgO. 2SiO2). Chapitre I : Analyse de la littérature scientifique sur les Laitiers de haut fourneau Comportement du laitier de l’usine sidérurgique d’El-Hadjar sur le mélange clinker : Cas ERCE Hadjar-Soud – Skikda 5 Du fait de l‘absence d‘oxydes libres, et particulièrement de chaux, le laitier rocheux présente une bonne résistance aux attaques chimiques par les sulfates ou les chlorures. Par contre, dans quelques cas rares, il est sujet à l‘effusement (réduction en poussière) ; ce phénomène se produit à cause du silicate bi calcique (2CaO. SiO2) qui, dans certaines conditions de refroidissement, peut subir une transformation allotropique avec accroissement de volume. Des formules empiriques, établies pour des laitiers théoriques, donnent les conditions pour éviter l‘effusement, par exemple : CaO % + 0,8 MgO% ≤ 1,2 SiO2% + 0,39Al2O3% + 1,75 S %. Les laitiers réels se montrent d‘ailleurs moins fusants à cause de la présence d‘oxydes de fer, de manganèse… Quelles que soient les conditions de production, le laitier rocheux comporte une faible partie de laitier vitreux, non cristallisé, ce qui lui confère une certaine hydraulicité. De plus, il y a intérêt à couler en couche mince pour faciliter le dégazage du laitier, et donc améliorer sa compacité. La diminution de la porosité peut aussi être obtenue par l‘addition dans le laitier liquide, pendant qu‘il s‘écoule dans la rigole, de divers produits, comme les pailles de laminoir (pellicules superficielles d‘oxydes de fer qui se détachent de l‘acier lors du laminage), qui favorisent le dégagement du gaz contenu, et bloquent l‘oxydation du soufre. Figure I.4 : Influence de la porosité du laitier cristallisé sur sa résistance à la compression (Alexandre J.et Sebileau J.L. – 1988) 

Laitier granulé

Le laitier granulé est obtenu en mettant brutalement en contact le laitier liquide avec une importante quantité d‘eau (environ 10 m3 /t de laitier), de façon à le diviser en petits grains et à le refroidir très vite. On exploite différents procédés de granulation : La granulation en bassin consiste à verser le laitier liquide dans un bassin de grandes dimensions rempli d‘eau ; ce procédé a l‘inconvénient de fabriquer une fraction parfois importante de laitier cristallisé à cause de l‘augmentation de la température de l‘eau pendant la granulation ; La granulation en rigole se fait en laissant couler le laitier liquide dans une goulotte parcourue par un fort courant d‘eau, qui sert à la fois à granuler et à transporter le sable de laitier. La granulation en pot (figure I.5) est une amélioration de la précédente : le laitier liquide est divisé et refroidi par un ensemble de jets d‘eau issus de fentes pratiquées dans une boîte alimentée en eau ; ce système, qui est le seul mis en place dans les installations nouvelles ou renouvelées, permet d‘optimiser le débit d‘eau, et, en modifiant les fentes d‘injection de l‘eau, d‘optimiser les conditions de granulation. Figure I.5 : Pot de granulation (Alexandre J.et Sebileau J.L. – 1988)

Filtration

Le laitier granulé doit être séparé de l‘eau qui a servi à la granulation et égoutté le mieux possible pour limiter sa teneur en eau. Des systèmes, parfois complexes, ont été utilisés ; on n‘exploite plus guère que deux procédés. Le fond filtrant où la pulpe d‘eau et de laitier est versée dans un bassin dont le fond est constitué par une nappe de tuyaux en ciment percés de trous et recouvertes de gravier grossier. La filtration se fait vers les tuyaux, d‘abord à travers la couche de laitier granulé, puis à travers le gravier. Après l‘évacuation du laitier par un pont muni d‘un grappin, on souffle de l‘air comprimé dans les tuyaux pour prévenir le colmatage des trous (figure I.6). Ce système est très efficace, mai coûteux à l‘installation et en frais d‘entretien. Figure I.6 : Granulation en rigole et fond filtrant Le tambour INBA développé par la société P. Wurth, où le laitier est séparé de l‘eau dans un tambour rotatif muni de tamis filtrants dont l‘efficacité est maintenue par un décolmatage à l‘air et à l‘eau (figure I.7). Un convoyeur à bande situé dans l‘axe du tambour évacue le granulé égoutté. Ce système tend à se généraliser à cause de son faible encombrement, et de son coût inférieur à celui d‘un fond filtrant. Chapitre I : Analyse de la littérature scientifique sur les Laitiers de haut fourneau Comportement du laitier de l’usine sidérurgique d’El-Hadjar sur le mélange clinker : Cas ERCE Hadjar-Soud – Skikda 8 Le laitier granulé se présente sous la forme d‘un sable de dimensions 0 à 5 mm, et dont la dimension médiane est de l‘ordre du millimètre. La trempe subie par le laitier ayant empêché sa cristallisation, la principale caractéristique du granulé est d‘être, pour 85 à 100 %, sous la forme vitreuse ; il s‘agit d‘un liquide surfondu à très forte viscosité, donc en état instable et susceptible de cristalliser ; la chaleur latente de cristallisation est d‘environ 200 MJ/kg. Le taux de vitrification du laitier peut être mesuré par différentes méthodes, comme, par exemple :  l‘analyse des phases par diffraction des rayons X, où les raies des phases cristallines, comme la merwinite, se distinguent de l‘anneau de diffraction créé par la phase vitreuse ;  l‘analyse des phases par comptage au microscope sous lumière naturelle, puis sous lumière polarisée qui révèle les grains cristallisés ;  la fluorescence aux rayons ultraviolets où le laitier cristallisé donne une couleur noire ou violette, alors que le laitier vitreux donne une couleur jaune ou orange. L‘état instable du laitier granulé est à l‘origine de sa capacité à faire prise à la manière d‘un liant hydraulique ; cette hydraulicité dépend de la composition du laitier et augmente avec la surface spécifique des grains. D‘une part, des formules empiriques établissent une correspondance entre l‘analyse et l‘hydraulicité : par exemple, on considère que cette propriété est à un niveau suffisant, quand l‘indice de Keil : K = (CaO + CaS + MgO + Al2O3)/(SiO2 + MnO) est supérieur à 1,5 (il est de 1,58 à Fos).