Laitier (métallurgie)

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En sidérurgie, le laitier correspond aux scories qui sont formées en cours de fusion ou d'élaboration de métaux par voie liquide. Il s'agit d'un mélange composé essentiellement de silicates, d'aluminates et de chaux, ainsi que d'oxydes métalliques. Ses rôles dans la métallurgie des métaux en fusion sont multiples.

Cette matière est un important coproduit[note 1] de la sidérurgie, apprécié comme remblai et comme matière première dans la fabrication du ciment.

Origine[modifier | modifier le code]

Le laitier apparaît lors de l'élaboration des métaux sous forme liquide. Sa faible densité le fait flotter au-dessus du métal en fusion.

Laitier de haut fourneau[modifier | modifier le code]

C'est un coproduit issu de la fabrication de la fonte au haut fourneau, où il correspond à la gangue stérile du minerai de fer à laquelle s'ajoutent les cendres du coke[1]. Il se sépare de la fonte liquide par différence de densité.

La quantité de laitier produite correspond directement à la richesse du minerai de fer utilisé. Pour un haut fourneau fonctionnant avec des minerais riches en fer, on atteint généralement une proportion 180 à 350 kg de laitier pour 1 tonne de fonte produite.

Pour le sidérurgiste, le laitier de fonte permet le contrôle de la composition de la fonte (notamment d'ôter le soufre, élément indésirable, mais aussi les alcalins, qui perturbent la marche du haut fourneau[SF 1])[note 2] et la maîtrise de l'usure des réfractaires[1].

Cependant, du point de vue thermique, le laitier est un stérile à fondre : sa valeur, quoique non négligeable, est souvent moins intéressante que celle de la fonte. Les minerais de fer pauvres, comme la minette lorraine, induisant une plus grande consommation de coke au haut fourneau ont été ainsi abandonnés, puisque la quantité de matière à chauffer dans le haut fourneau est plus importante. En effet, même pour un haut fourneau fonctionnant avec des minerais riches en fer, que le volume de laitier est identique à celui de la fonte produite (à cause de la différence de densité)[4], le prix de vente du laitier granulé intervient dans moins de 5 % du coût de production de la fonte[5],[note 3].

Compositions typiques de laitiers de fonte (en % du poids)
Type de laitier FeO, / Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO P2O5 TiO2 S
Haut fourneau[7] (fonte hématite) 0,16 -0,2 < 1 34 - 36 10 - 12 38 - 41 7 - 10 1 1 - 1,5
Cubilot[8] 0,5 - 2,5 1 - 2 25 - 30 5 - 15 45 - 55 1 - 2

Le laitier de haut fourneau, de composition chimique très stable, est souvent valorisé dans la fabrication de ciment (BFS-OPC)[note 4] ou, plus occasionnellement, dans la fabrication de verre : il est alors granulé ou bouleté sous forme de sable. Ce sable est obtenu par refroidissement brutal au contact avec de l'eau de manière à le fracturer et à la vitrifier. Le laitier peut également être coulé en fosse, où il cristallise et craquelle après un refroidissement lent : il est alors destiné aux travaux publics (ballast, enrobé bitumé,...). S'il satisfait à de sévères conditions qualité, il peut aussi entrer dans la fabrication de laine de verreetc.[SF 3]

Laitier d'aciérie[modifier | modifier le code]

Dans une aciérie, le laitier vient à la fois des convertisseurs, où celui-ci est très oxydé, de la métallurgie en poche ou des fours électriques. Pour une tonne d'acier produite, on compte de 150 à 200 kg de laitier d'aciérie produits, quelle que soit la filière (haut fourneau - convertisseur ou fusion de ferrailles)[10].

Le rôle du laitier d'aciérie est plus complexe qu'au haut fourneau : il rassemble les impuretés et les éléments chimiques indésirables en absorbant les inclusions d'oxydes dissoutes dans le métal, généralement issues du calmage. Pour cela, il est essentiel de gérer sa composition, de manière à le rendre réactif. Une haute teneur en chaux va, par exemple, rendre le laitier capable de capter les oxydes de phosphore au convertisseur, ce qui permet sa valorisation comme engrais envisageable. À la métallurgie en poche, une haute teneur en chaux rend le laitier basique, ce qui est favorable à la captation des inclusions d'alumine. Cependant, ce laitier doit aussi ménager les briques réfractaires... le réglage des laitiers d'aciérie est donc un compromis.

Certains oxydes du laitier, comme le FeO, peuvent oxyder les additions d'alliage comme le titane, l'aluminium, le bore... Dans ce cas, ces éléments d'alliages sont consommés, donc gaspillés, avant d'atteindre le métal liquide. Une quantité de laitier trop importante, ou une oxydation du laitier mal maîtrisée est donc dans ce cas rédhibitoire.

Compositions typiques de laitiers de métallurgie primaire (en % du poids, en fin d'affinage) [11]
Type de laitier FeO / Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO P2O5 S
Bessemer Original 15 7 75 3 0
Production d'acier naturel 60 4 26 3 2 1 - 4 0,1
Puddlage gras 70 5 16 1 0,7 4 0,3
Procédé Thomas original 17 9 15 37 10 12 0,5
Thomas Amélioré 10 3 7 2 52 5 20 0,3
Convertisseur type OLP 12 4 7 57 20
Convertisseur type LD 20 7 13 48 2
Four à arc électrique avec traitement OLP 20 - 30 7 50 1 - 2,5

En métallurgie en poche ou métallurgie secondaire, les outils liés au traitement du laitier consistent généralement en un « râteau » pour « écrémer » le laitier flottant sur l'acier liquide. Des trémies permettent l'addition des produits destinés à constituer ou amender le laitier.

Les laitiers d'aciérie sont généralement de composition chaux-alumine, pour les aciers au carbone destinés aux produits plats, et chaux-silice pour les aciers au carbone destinés aux produits longs. Pour les aciers inoxydables, leur forte teneur en chrome les rend inaptes à l'utilisation en remblais mais leur recyclage en interne dans l'aciérie est économiquement intéressant.

Compositions typiques de laitiers de métallurgie secondaire (en % du poids, en fin d'affinage)
Type de laitier FeO / Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO P2O5 S
Acier calmé à l'aluminium (laitier désulfurant) 0 0 10 35 45 10 0,1

Le laitier au soudage[modifier | modifier le code]

On appelle laitier la croûte qui se forme sur le bain de la soudure. Il protège ce bain de l'oxygène de l'air, et l'isole thermiquement.

Dans le soudage à l'électrode enrobée, c'est l'enrobage qui va, en fondant, créer le laitier.

On distingue alors les électrodes en fonction de leur enrobage:

  • enrobage basique (riche en chaux), dont la mise en œuvre est difficile, mais qui assure une excellente résistance mécanique.
  • enrobage acide (riche en silice), à l'utilisation plus facile.

Valorisation des laitiers[modifier | modifier le code]

Conditionnement[modifier | modifier le code]

Plusieurs qualités de laitier sont présentes sur le marché. On peut premièrement les classer suivant leur origine :

On peut aussi les classer suivant la façon dont ils ont été transformés[12] :

  • vitrifiés par mélange brutal avec de l'eau (75% en 2010). Le laitier ressemble alors à un sable humide qui est envoyé aux cimenteries où il peut remplacer une partie du clinker ;
  • cristallisés en le coulant dans une fosse où il refroidit lentement (23% en 2010). Le produit obtenu est une roche poreuse mais résistante, généralement utilisée comme remblai ;
  • bouletés dans une installation de bouletage (2% en 2010). Le laitier est alors plus ou moins cristallisé, avec une certaine dispersion granulométrique ;
  • transformés en laine de verre (par refroidissement rapide avec de l'air et de la vapeur d'eau) ou en mousse de verre (avec refroidissement ralenti en utilisant peu d'eau). Ces deux procédés ne concernent qu'un tonnage très faible.

Les laitiers granulés et les laitiers bouletés sont généralement produits grâce à la projection d'eau sous pression dans le laitier en fusion, dès la sortie du haut fourneau. Le produit obtenu est un sable fin et homogène. Dans de rares cas, le refroidissement est fait à l'air, mais de nombreux inconvénients (dégagement gazeux, bruit, encombrement de l'installation) limitent cette pratique[12].

Les laitiers cristallisés sont issus du refroidissement par aspersion d'eau du laitier en fusion coulé à terre. La solidification et le refroidissement du laitier amènent à son craquelage. Ce procédé est le premier historiquement réalisé : il ne nécessite qu'une fosse de stockage du laitier en fusion et des rampes d'arrosage. Son obtention ne consomme en outre que de faibles quantités d'eau. Cependant, un concassage secondaire est généralement nécessaire pour utiliser ce matériau. L'inconvénient réside dans le fait que ce matériau présente une certaine hétérogénéité[12].

Actuellement, la tendance pour les laitiers de haut-fourneau va vers la granulation, éventuellement la cristallisation[12]. La plus faible quantité de laitier produit par les aciéries ne rendant pas une installation de granulation ou bouletage rentable, les laitiers de convertisseur, de four électrique ou de poche sont cristallisés.

Il faut cependant noter que les laitiers sidérurgiques, en piégeant certains composés ou métaux lourds, peut être très polluants pour les sols[13].

Utilisation[modifier | modifier le code]


On peut définir trois grandes classes d'utilisation des laitiers :

Utilisation sous forme de liants hydrauliques[modifier | modifier le code]

Les laitiers granulés ou bouletés peuvent développer une prise hydraulique lente sous l'effet d'un activant (clinker ou chaux). Après broyage fin (3 500 à 4 500 blaines) puis séchage, ils trouvent leurs utilisations comme composant principal ou secondaire du ciment.

Ces laitiers dits « GGBS » (Ground Granulated Blast furnace Slag c'est-à-dire laitier de haut fourneau granulé broye) entrent dans la composition des ciments composés, clinker et ajouts (laitier, cendres volantes, calcaire, ...).

Utilisation sous forme de granulats[modifier | modifier le code]

L'utilisation sous forme de granulats est moins rentable que l'utilisation sous forme de liant hydraulique. Cependant, tous les types de laitiers cristallisés sont utilisables sous forme de granulats.

L'utilisation des laitiers de haut-fourneau cristallisés est reconnue sous deux formes :

  • en fraîche production : le laitier est refroidi à la sortie du haut-fourneau et subit un concassage dans la foulée ;
  • après un passage en crassier : le laitier est stocké dans un crassier, équivalent d'un terril. Ce stockage peut entraîner une hétérogénéité du matériau notamment en cas de mauvais suivi des approvisionnements.

Dans les deux cas, on note l'utilisation de ces granulats :

  • en graves non traitées (GNT)
  • en graves traitées au laitier granulé (dites graves laitier tout laitier)
  • en enrobés hydrocarbonés

La pratique des laitiers électriques est plus récente mais se substitue de plus en plus à la précédente du fait de la disparition progressive des hauts fourneaux et de l'emploi, de plus en plus développé, du laitier de haut fourneau granulé moulu soit comme composant du ciment, soit comme addition dans le béton en substitution du ciment. Il faut rester méfiant quant aux diverses appellations de laitiers : sous l'appellation de laitier électrique, on peut trouver des laitiers de poche (dans lesquels sont affinés les aciers pour donner les nuances voulues) qui contiennent une teneur non négligeable en métaux lourds. Toutefois, les contraintes règlementaire actuelles encadrant leur mise sur le marché garantissent leur innocuité sanitaire et environnementale.

On note l'utilisation de ces granulats :

  • en graves non traitées (GNT)
  • en graves traitées au laitier granulé (dites graves laitier tout laitier)
  • en enrobés hydrocarbonés et en lit de pose en assainissement

L'usage des laitiers d'aciérie à convertisseur d'oxygène est encore d'ordre expérimental, et exclusivement en granulats non liés. En effet, il n'est pas rare de trouver des nodules de chaux ayant la possibilité de s'hydrater plus tard. Il en résulte un gonflement qui peut intervenir après la mise en œuvre de ce laitier, et qui provoque une détérioration de la chaussée.

Plusieurs méthodes sont utilisées pour s'affranchir du risque d'expansion volumique due à l'hydratation de la chaux :

  • le vieillissement à l'air libre du matériau : le matériau est étalé à l'air libre et s'hydrate sous l'effet de la pluie ou par une humidification artificielle. Cette méthode exige des superficies considérables de stockage notamment, si pour optimiser cette méthode, on étale le matériau avec une épaisseur faible permettant le ruissellement de l'eau de la surface à la base du stock ;
  • le vieillissement accéléré dans des autoclaves. Cette méthode exige des quantités d'énergie non négligeables mais est utilisée dans des pays pauvres en matériaux naturels (ex : Pays-Bas)
  • la traçabilité des laitiers de la coulée à la transformation de ceux-ci en granulats. Certaines aciéries peuvent à travers les analyses chimiques qu'ils font sur les laitiers (en lien directement avec la qualité de l'acier produit) classer les matériaux en matériaux valorisables ou non comme granulats et développer un système de traçabilité.

Actuellement, peu d'usages en granulats sont autorisés par les bureaux de contrôle. Leur utilisation se fait encore beaucoup dans le cadre de chantiers expérimentaux. Par contre, cette même "richesse" en chaux qui freine leur usage en tant que granulats, favorise leur usage en tant que produit de traitement de sols en place ou en tant qu'activant dans des liants hydrauliques (prEN 13282-2). Cette pluralité d'usages possibles, selon la teneur en chaux, justifie de plus en plus la mise en place de ce suivi (traçabilité) au niveau de la production.

Utilisation comme engrais et pour amendement de sols[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Scories Thomas.

La minette lorraine, minerai de fer pauvre et contenant beaucoup de phosphore, générait une fonte qu'il fallait déphosphorer au convertisseur. Le laitier de convertisseur alors obtenu, riche en P2O5, est un excellent engrais. Si cette valorisation est encore parfois faite avec les laitiers de convertisseur, l'abandon des minerais riches en phosphore, comme la minette lorraine, rend cette filière moins attractive.

Autres utilisations[modifier | modifier le code]

La forte teneur en silice des laitiers en fait une matière première pour la fabrication du verre. Cette utilisation est réservée aux laitiers granulés les plus purs, c'est-à-dire de haut fourneau. Des précautions sont nécessaires pour éviter toute pollution (gravats, poussière,...) pendant le stockage ou le transport.

Production[modifier | modifier le code]

La production française de granulats de laitier était, en France et pour 2005, de 2 080 000 tonnes, pour 51 847 000 euros, dans 10 entreprises.

La production de 2009 montre une forte évolution des usages :

  • diminution de l'usage des laitiers de haut-fourneau mieux valorisés en tant que liant ou composant de liant hydraulique,
  • utilisation de plus en plus massive de laitiers d'aciérie puisque, sur une production brute (pour 25 sites sidérurgiques français) de :
    • 2,3 million de tonnes de laitier de haut-fourneau,
    • 1,6 million de tonnes de laitiers d'aciérie (52 % d'aciérie de conversion et 48 % d'aciérie électrique)

Les volumes employés en granulats représentent respectivement :

  • 440 000 tonnes de laitier de haut-fourneau (19 % de la production annuelle),
  • 400 000 tonnes de laitier d'aciérie de conversion (46 % de la production annuelle),
  • 492 000 tonnes de laitiers d'aciéries électriques.

Ce développement de leur utilisation est, essentiellement dû à :

  • la professionnalisation des filières de valorisation avec la mise en place de plan d'assurance qualité,
  • la prise en compte, récente, de la notion de développement durable (économie des ressources naturelles, minimisation des transports et de leur impact CO2, etc.)

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Pour les hauts fourneaux, « l'expression sous-produit a été utilisée pendant très longtemps sans que personne n'y trouve à redire… Cependant afin de montrer que la valorisation des laitiers était un objectif en soi, cette expression a été remplacée dans les années 1980 par l'expression coproduit[SF 1] ». Quant aux laitiers d'aciérie, si les scories Thomas étaient également un débouché essentiel de la sidérurgie au début du XXe siècle, la valorisation des laitiers modernes passe après l'optimisation des procédés métallurgiques.
  2. Un laitier basique, quoique plus infusible, permet d'ôter le soufre de la fonte par la réaction, qui se déroule dans le creuset du haut fourneau :           S + CaO + C → CaS + CO         pour T ≈ 1 550 °C[2] Les sidérurgistes expérimentés voient déjà sur le laitier encore liquide quelles sont sa composition approximative et ses propriétés. Pour la vérification, il suffit souvent de l'« essai au crochet », où l'on plonge un crochet de fer dans le laitier en fusion. Si le laitier reste collé en petites gouttes résistantes au crochet (laitier court), il est basique, avec un indice de basicité i, caractérisé par un rapport des poids CaO / SiO2 supérieur à 1. Si par contre le laitier s'écoule du crochet en longs fils (laitier long), il est acide, avec un rapport i = CaO / SO2 < 1[3].
    Mais si un laitier basique permet le retrait du soufre, les alcalins ne sont évacué du haut fourneau que par un laitier acide. Ainsi « la composition des laitiers est soumise à un compromis supplémentaire : le dilemme devant lequel se trouve le haut fourniste se résout parfois par l'acceptation d'une teneur en soufre dans la fonte relativement élevée […], ou par le remplacement, à basicité constante, de la chaux du laitier par de la magnésie, circonstance plus favorable à l'élimination des alcalins[SF 1] ».
  3. À fin 2010 - début 2011, aux États-Unis, pour une tonne de fonte en fusion coûtant environ 460 $ (compte tenu de la vente du gaz rapportant 41 $ à la tonne de fonte produite)[6], il était possible de vendre environ 300 kg de laitier vitrifié à 74 $ la tonne (sinon 7,4 $, si le laitier n'est que cristallisé)[5]
    La généralisation de la granulation apporte donc une rentabilité intéressante car, malgré « l'enrichissement des lits de fusion entraînant une relative rareté […], en 1982, en France, le bilan économique était quasi systématiquement déficitaire[SF 2] ».
  4. Un des intérêts de l'utilisation du laitier de haut fourneau est la réduction des émissions de dioxyde de carbone pour les cimenteries : chaque tonne de clinker remplacée par du laitier granulé correspond à une tonne de CO2 émise en moins[9].

Références[modifier | modifier le code]

  • Jacques Corbion (préf. Yvon Lamy), Le savoir… fer - Glossaire du haut fourneau : Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui, 5,‎ 2003 [détail des éditions] (lire en ligne)
  1. a, b et c § Laitier
  2. § Laitier (Valorisation des)
  3. § Laitier (usages des)
  1. a et b (de) Karl-Heinz Schmidt, Ingo Romey et Fritz Mensch, Kohle, Erdöl, Erdgas: Chemie und Technik., Würzburg, Vogel Verlag,‎ 1981 (ISBN 3-8023-0684-8)
  2. (en) Donald B. Wagner, The traditional Chinese iron industry and its modern fate, Routledge,‎ 17 juin 1997 (ISBN 0700709517 et 978-0700709519, lire en ligne)
  3. (de) Verein Deutscher Eisenhüttenleute, Gemeinfassliche Darstellung des Eisenhüttenwesens, Düsseldorf, Stahleisen mbH,‎ 1970/71, 17e éd., p. 83-84
  4. [PDF](en) Jan van der Stel, « Improvements in Blast Furnace Ironmaking operations », Tata Steel RD&T,‎ 19-20 septembre 2012
  5. a et b [PDF](en) « 2011 Minerals yearbook ; Slag-iron and steel », U.S. Department of the Interior U.S. Geological Survey,‎ janvier 2013
  6. [PDF](en) « Semi-finished steel prices Billet and slab price data 2008 - 2013 », Association for Iron and Steel Technology,‎ novembre 2011
  7. (de) Karl Taube, Stahlerzeugung kompakt: Grundlagen der Eisen- und Stahlmetallurgie, Braunschweig/Wiesbaden, Vieweg Technik,‎ 1998 (ISBN 3-528-03863-2), p. 158–159
  8. (de) Stephan Hasse, Giesserei Lexikon (lexique de la fonderie), Fachverlag Schiele & Schoen,‎ 2000, 1097 p. (ISBN 3794906551, 9783794906550 et 3-7949-0655-1)
  9. (en) « Slag Granulation », Danieli Corus
  10. (en) « Steel industry by-products »,‎ 02/2010
  11. (en) F.D. Richarson et J.H.E. Jeffes, « Sydney Thomas invention and its later impact », MASCA research papers in science and achaeology, vol. 6 « History of technology: the role of metals »,‎ 1989 (lire en ligne)
  12. a, b, c et d [PDF](en) Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Iron and Steel Production, Direction régionale de l'environnement, de l'aménagement et du logement,‎ 28 février 2012, 597 p. (lire en ligne), p. 295-299
  13. (en) A. Frank, A. Madejb, V. Galganc & L. R. Petersson, « Vanadium poisoning of cattle with basic slag »,‎ mars 1996
  • le laitier de haut-fourneau (1988), de Alexandre J. et Sebileau J-L., éditions CTPL
  • les scories LD (1976) in BLPC n°83, de Panis A.
  • utilisation des scories LD en technique routière (1984) in Bulletin de l'Association Internationale de Géologie de l'Ingénieur, de Panis A.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]