LES DECHETS SIDERURGIQUES ET LE TRANSPORT PARTICULAIRE

Origine des déchets sidérurgiques

Les procédés de formation de l’acier ainsi que l’origine des laitiers sidérurgiques sont développés en premier dans cette partie. Ensuite, la composition minéralogique de chaque type de laitiers et leurs filières de valorisation seront abordées. Les autres types de déchets pouvant être produits dans les centres de production d’acier seront enfin passés en revue.

Procédé de formation de l’acier et origine des laitiers sidérurgiques

L’acier est un alliage essentiellement composé de fer et de carbone (entre 0,008 et 2 % en masse). Il peut également contenir d’autres éléments en très faibles proportions mais parmi tous les éléments d’alliage, c’est le carbone qui confère le plus à l’acier ses propriétés de résistance et de dureté. L’acier est conçu pour répondre à de fortes sollicitations mécaniques et/ou chimiques. Il est couramment utilisé dans la construction, la marine, dans les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique, de l’électroménager ou du packaging (emballages métalliques, boîtes de conserve, canettes, etc.). L’acier peut être élaboré à partir de :  la filière « fonte », par laquelle un minerai de fer et de coke sont réduits en fonte puis en acier grâce à un convertisseur,  la filière « ferraille » dans laquelle la ferraille ou l’acier de récupération est fondu dans un four électrique. Les laitiers sidérurgiques sont des sous-produits générés à différentes étapes du procédé de formation de l’acier (Figure 2.1). Selon l’Article 1 de la Directive 75/442, les sous-produits ou co-produits sont : « les biens, matériaux ou matières premières, résultant d’un processus industriel ou d’extraction dont le but principal n’est pas la production de cet article, considéré non pas comme résidus, et que l’entreprise ne souhaite pas mettre au rebut mais qu’elle a  l’intention d’exploiter ou de commercialiser dans des conditions avantageuses, dans un processus postérieur, sans aucune transformation supplémentaire avant la réutilisation ». Leur production est inévitable lors de la formation de l’acier. Ils sont indésirables dans le produit fini et considérés comme des matières résiduelles dans les centres de production d’acier. En réalité, ils servent à purifier l’acier en absorbant les impuretés issues de la matière première (minerai de fer ou ferraille). Ils servent donc de « dépôt » pour les rebuts issus du procédé et permettent d’affiner la fonte liquide pour atteindre la précision et la qualité recherchées.

Les deux types de laitiers produits dans la filière « fonte » sont les Laitiers de Hauts-Fourneaux (LHF) et les Laitiers d’Aciérie de Conversion (LAC) encore appelés laitiers de convertisseur. Dans la filière « ferraille », ce sont les laitiers d’aciérie électrique qui sont formés. Il en existe deux catégories : les Laitiers d’Aciérie Electrique Filière carbone (LAFE carbone) et les laitiers d’aciérie électrique « inox et alliés » (LAFE » inox et alliés »). Ces quatre laitiers issus des filières « fonte » et « ferraille » sont produits lors de la métallurgie primaire et sont aussi appelés « laitier de four » ou « laitier de fusion ». Si l’acier liquide obtenu en métallurgie primaire est acheminé dans un wagon puis versé dans un four « poche » pour y être affiné, il se forme de l’acier en poche et des « laitiers de poche » ou « d’affinage » : c’est la métallurgie secondaire ou en poche (Figure 2.1). A la fin du procédé, l’acier issu de la métallurgie en poche peut être coulé en continu (bloom, brame, billette) ou en lingot.

Filière « fonte » : formation des laitiers de hauts-fourneaux et d’aciérie de conversion

La filière fonte génère à elle seule 65 % de la production mondiale d’acier et permet d’élaborer de la fonte dans une usine intégrée dont les principales divisions sont l’agglomération, la cokerie et le haut-fourneau (Postiglione, 2006). Dans cette filière, le procédé de formation de l’acier consiste à réduire un minerai de fer (Fe2O3) et de coke dans un haut-fourneau (Figure 2.1). Après concassage et criblage, le minerai de fer est aggloméré ou bouleté puis chargé au-dessus du haut-fourneau en couches alternées avec du coke. L’insufflation d’air chaud à la base du haut-fourneau provoque la combustion du coke. Ainsi, le minerai descend progressivement vers la base du haut-fourneau à mesure que le fer en est extrait et s’accumule au fond, recouvert par une couche de laitier liquide plus léger. La chaleur libérée pendant la combustion réduit les oxydes de fer du minerai en métal et forme du CO et du CO2. Les réactions chimiques impliquées dans la combustion et la réduction du minerai de fer s’écrivent. Combustion du carbone : C + O2 → CO2 R1 CO2 + C → 2CO (Équilibre de Boudouard) R2 Cette réaction est très exothermique et peut atteindre des températures avoisinant 2000 à 2200°C. D’après Mahieux (2008), les composés libérés pendant la combustion sont le CO (35 %), le H2 (2 à 5 %) et le N2 (environ 60 %). Selon l’auteur, lorsque la température atteint 1050°C, l’équilibre de Boudouard est ralenti, la production du CO est limitée et le coke n’est plus consommé. Au-dessus de 1200°C, le fer et certains oxydes non ferreux tels que le chrome, le manganèse et le silicium peuvent être réduits. Réduction du fer : Fe2O3 + CO → 2FeO + CO2 R3 FeO + CO → Fe (liquide) + CO2 R4 L’énergie de la combustion fait fondre le minerai de fer et sa gangue (minerai de valeur moindre qui entoure la matière première de fer). Lors de cette fusion, la gangue a une densité d’environ 3, plus faible que celle de la fonte liquide de densité 7 et contenant 96 % de Fe et 4 % de C (Houzé, 2013).

Cette gangue flotte alors à la surface du mélange et est séparée par gravimétrie : il s’agit du laitier de haut-fourneau (LHF) (Figure 2.1). Ce laitier est une roche liquide formée à 1500°C environ et est constitué de parties non métalliques du minerai combinées à la chaux (CTPL, 2004). Il est déversé dans un « cuvier » mobile et acheminé vers des fosses où il est coulé puis refroidi à l’air libre ou par aspersion d’eau pour accélérer le refroidissement. Après solidification, le laitier est traité puis concassé pour en extraire au maximum l’acier encore présent qui sera à nouveau recyclé. Chaque tonne de fonte génère en 20 moyenne 300 kg de LHF et nécessite 1,7 tonnes de minerai de fer pour 600 kg de coke (Postiglione, 2006). Selon le processus de refroidissement utilisé dans le haut-fourneau, il peut se former des laitiers cristallisés ou des laitiers vitrifiés. Si après séparation de la fonte, le laitier est refroidi à l’air libre puis arrosé au début de sa solidification, il se cristallise. Dans le cas où le laitier séparé de la fonte est « trempé », c’est-à-dire arrosé violemment et abondement d’eau sous haute pression, celui-ci se vitrifie. L’énergie contenue dans le laitier en fusion entraîne alors une explosion et forme soudainement de fines particules vitreuses désordonnées. L’énergie de ces laitiers vitrifiés les rend plus réactifs chimiquement comparativement aux laitiers cristallisés (Divet, et al., 2006). En raison de leur faible résistance mécanique, ils sont utilisés comme liant hydraulique ou interviennent dans la fabrication du ciment ou du béton. Le laitier cristallisé quant à lui sert de granulats dans la construction routière. Il est caractérisé par une masse volumique comprise entre 2,6 et 2,8 tonne.m-3 . Il est gris et généralement poreux. Il présente une forte résistance mécanique et a une faible conductivité thermique. Pour obtenir l’acier, la fonte liquide issue du haut-fourneau est ensuite acheminée vers un convertisseur chargé de ferrailles pour y être transformée. L’oxygène de l’air est insufflé dans le convertisseur pour éliminer les impuretés de la fonte et abaisser sa teneur en carbone de 4 % à moins de 2 %.