Usine d'agglomération

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Usine d'agglomération et, en arrière-plan, alignement de hauts fourneaux. Photo du complexe sidérurgique de McLouth Steel (en) à Trenton, aux États-Unis, au début des années 1990. On distingue le refroidisseur circulaire au premier plan et le système de dépoussiérage sur la droite.

Une usine d'agglomération est une installation sidérurgique servant à fritter le minerai de fer pour le rendre apte à l'utilisation dans le haut fourneau. Le minerai de fer est tout d'abord mélangé avec de la castine et un combustible solide bon marché (houille, rebuts de coke). L'opération d'agglomération proprement dite consiste à brûler le combustible pour atteindre la température de frittage du minerai. Le produit obtenu, appelé « aggloméré », a une composition chimique, une porosité et une tenue mécanique compatibles avec le fonctionnement du haut fourneau.

Pour le haut fourneau, l'usine d'agglomération a donc un rôle semblable vis-à-vis du minerai de fer, à celui de la cokerie vis-à-vis du charbon[note 1]. L'agglomération permet également de recycler de nombreux résidus ferreux mais, paradoxalement, il s'agit souvent de l'installation émettant le plus de rejets atmosphériques d'un complexe sidérurgique.

On trouve aussi des installations d'agglomération de minerais non ferreux, dédiées aux minerais de zinc[2], de plomb[3], de cuivre[4]… Si elles sont de taille bien plus modeste que celles de la sidérurgie, leur fonctionnement et leur intérêt sont identiques.

Historique[modifier | modifier le code]

Four à griller le minerai de Saint-Pierre-d'Allevard.

Dans la plupart des pays, comme la Russie, la France et l'Allemagne, les gisements de minerai de fer se présentent sous une forme poussiéreuse ou sableuse. Sous cette forme, le minerai ne peut pas être chargé dans le haut fourneau car il serait alors, soit emporté par le vent qui y est insufflé, soit transformé en une couche imperméable. L’intérêt de la calcination des minerais avait été compris dès la mise au point des premiers bas fourneaux, et plusieurs procédés sont alors développés. La méthode primitive, consistant à pratiquer un grillage (en)[note 2] en meule, est abandonnée vers la fin du XIXe siècle à cause de sa trop grande dépense en combustible[L 1],[5]. Les fours à cuve les remplacent alors, leur rendement très supérieur étant du à la fois au confinement de la réaction et au fonctionnement à contre-courant (les matières solides descendent et les gaz montent)[L 2].

Ces fours à griller le minerai étaient alors des cuves inspirées des hauts fourneaux et des fours à chaux et étaient des outils peu productifs[4],[L 3]. Le procédé Greenawald, qui en automatise le principe[6], connait vers 1910 un certain développement en permettant la production de 300 000 tonnes annuelles[7].

Expansion du procédé d'agglomération sur chaîne dans la sidérurgie.

Au début du XXe siècle apparaissent des procédés continus, comme le procédé Smidth utilisant un four en forme de tambour tournant dont la longueur approchait 100 m[8]. Ces procédés disparaissent avec la mise au point d'un procédé continu de calcination sur grille par Arthur Smith Dwight (1864 - 1946)[9] et Richard Lewis Lloyd, qui travaillent ensemble dans la mine de cuivre de Cananea, au nord du Mexique. Leur première machine est commence ses essais en 1906 sur des minerais de cuivre et de plomb[4]. Ceux-ci déposent alors conjointement une série de brevets, dont celui du 3 juin 1907 concerne plus particulièrement :

« un appareil dédié à la calcination et à l'agglomération des minerais [consistant] en un mécanisme dont l'élément portant et déplaçant le minerai est une série de sections connectées par des liaisons flexibles de manière à former un convoyeur à chaîne sans fin, se déplaçant dans un plan vertical[10]. »

— A. S. Dwight & R. L. Lloyd, brevet du 3 juin 1907

Les deux inventeurs fondent en 1907 la Dwight and Lloyd Metallurgical Company. Ils construisent de nombreuses machines et vendent des licences dans le monde entier, dont notamment au constructeur d'usines allemand Lurgi (de). La première machine d'agglomération utilisant le procédé Dwight-Lloyd et dédiée au minerai de fer est construite en 1910 aux États-Unis[4]. En Allemagne, Bochumer Verein (de) l'adopte dès 1917, alors que la première chaîne d'agglomération française, à Fontoy, est datée de 1952[11],[note 3].

L'agglomération du minerai met une trentaine d'années pour se généraliser dans la sidérurgie. Alors qu'avant la Seconde Guerre mondiale, elle ne servait essentiellement à reconditionner les fines de minerai, elle s'est généralisée après 1945 au traitement des minerais crus. Actuellement son rôle est essentiel car elle permet de mélanger plusieurs minerais entre eux, et surtout d'y incorporer des déchets minéraux plus ou moins riches en fer. Ce rôle de recyclage améliore la rentabilité et limite les déchets des complexes sidérurgiques, qui génèrent de nombreux résidus riches en fer (laitiers, boues, poussières, etc.)[4].

Procédé[modifier | modifier le code]

Opérations préliminaires à l'agglomération[modifier | modifier le code]

Les minerais sont amenés depuis leur zone de stockage et distribués par un stacker, une énorme sauterelle qui va constituer un long tas d'homogénéisation, en forme de prisme. En faisant des va-et-vient le long du tas, le stacker répartit les minerais en couches qui s'empilent sur chaque côté du tas.

Ensuite, une excavatrice à godets (ou reclaimer), gros engin doté d'une roue-pelle, reprend le minerai sur son tas d'homogénéisation. Le minerai est repris en taillant verticalement dans le tas. L'engin de reprise peut adopter différentes conceptions : la roue-pelle peut être au bout d'un bras (comme dans une excavatrice à godets de mine), sur une structure en portique enjambant le tas, … On peut aussi utiliser des reclaimers doté de chaînes à godets.

Tambour de nodulation.

Le minerai homogénéisé est alors mélangé avec des fondants comme l'olivine[note 4] et la castine, ainsi qu'un combustible solide, généralement de la houille. Ces composants sont alors soigneusement mélangés, généralement dans des tambours de mélange, puis agrégés en petites boulettes, généralement à l'aide d'un tambour de nodulation.
À ce stade, l'agglomération en boulettes de quelques millimètres de diamètre est très distincte du frittage qui est réalisé ultérieurement sur la chaîne d'agglomération : la cohésion est essentiellement réalisée grâce à de l'eau et de la chaux dosées dans le mélange.

Agglomération[modifier | modifier le code]

Principe de fonctionnement du procédé Dwight-Lloyd, dit « chaîne d'agglomération » ou « agglomération sur grille ».

Le minerai est déposé sur la chaîne en deux couches superposées. L'épaisseur de la couche inférieure, qui protège les grilles et sert de filtre, varie entre 30 et 75 mm. Cette couche est généralement constituée de minerai déjà aggloméré : une granulométrie comprise entre 12 et 20 mm est généralement choisie. La couche supérieure consiste en un mélange homogène, essentiellement constitué de minerai, de combustible et de castine, dont l'épaisseur varie entre 350 et 660 mm. L'homogénéité chimique et la granulométrie de ce mélange sont garanties par les tambours d’homogénéisation et de nodulation.

Cette préparation passe alors sous la hotte d’allumage, consistant en une rangée d'une quinzaine de brûleurs qui mettent le feu au combustible présent dans la couche supérieure. Fréquemment, une deuxième rangée de brûleurs permet de maîtriser l’homogénéité et l'évolution de la température.

Le front de combustion se propage alors vers le bas, attisé par l'aspiration d'air qui se fait de haut vers le bas : le procédé est donc similaire à la combustion du tabac dans une pipe. La puissance d'aspiration est donc, tout comme la surface de la chaîne, un élément essentiel définissant la capacité de production de l'installation. Les fumées aspirées sous la partie active de la chaîne, très chargées en poussière de minerai, sont dépoussiérées. Le recyclage des poussières collectées dans toute l'installation est essentiel, car il peut concerner jusqu'à 60 % du produit déposé sur la chaîne.

La température visée au moment de la combustion doit permettre le frittage du minerai. Dans le cas de l'agglomération du minerai de fer, on vise généralement une température comprise entre 1 150 et 1 250 °C dans la zone de combustion, et entre 900 et 1 000 °C dans la zone brûlée pour éviter un refroidissement trop brutal de la couche agglomérée.

Arrivée à l'extrémité de la chaîne, la couche agglomérée se brise en tombant. Un broyeur brise les blocs en petits morceaux, puis le produit est refroidi à l'air, sur un refroidisseur généralement circulaire. Les morceaux d'aggloméré sont alors criblés : les morceaux inférieurs à 5 mm retournent dans le processus d'agglomération (ces « fines de retour » représentent, en moyenne, un quart de la production de la chaîne[14]), les morceaux plus gros, entre 5 et 12 mm, voire parfois 20 mm, sont envoyés au haut fourneau.

Stratégies actuelles[modifier | modifier le code]

Intérêts du procédé[modifier | modifier le code]

Amélioration des caractéristiques physiques[modifier | modifier le code]

Le coke, combustible essentiel des hauts fourneaux, étant coûteux, la calcination des minerais est effectuée dans une installation dédiée consommant du charbon, qui est un combustible meilleur marché[note 5]. Cette calcination permet, entre autres, la décarbonatation de la gangue calcaire des minerais et la déshydratation des argiles ou des gypses. Cette opération fait ainsi mathématiquement monter la proportion de fer dans le minerai. Quant au coke économisé au haut fourneau, il est, à volume de four donné, avantageusement remplacé par du minerai, ce qui dope la productivité du four. Le frittage du minerai rehausse sa température de ramollissement. La charge reste donc plus longtemps granulaire avant de fondre, ce qui améliore la perméabilité du haut fourneau. Il devient alors possible de construire des hauts fourneaux de grande taille, plus adaptés aux contraintes économiques de la sidérurgie[12].

Amélioration des caractéristiques chimiques[modifier | modifier le code]

Le procédé d'agglomération est un moyen de maîtrise de la composition du laitier de haut fourneau. En effet, l'utilisation d'un minerai donnant un laitier infusible aboutirait à un engorgement rapide du haut fourneau. L'ajout de castine permet aussi d'obtenir un laitier basique qui favorise la désulfuration de la fonte.

Historiquement, l'agglomération était un procédé permettant de reconditionner les fines de minerai qui auraient colmatés les hauts fourneaux si elles avaient été chargées telles qu'elles. La capacité du procédé à éliminer les éléments indésirables a été identifiée très tôt : le procédé d'agglomération sur chaîne élimine 80 à 95% du soufre présent dans le minerai et ses additifs[4]. C'est également un moyen de se débarrasser du zinc élément « empoisonnant » les hauts fourneaux, car sa température de vaporisation, de 907 °C, correspond à celle d'un grillage bien mené[L 4],[note 6]. Il est aussi possible de brûler des éléments combustibles mélangés aux minerais, ainsi que d'augmenter l'oxydation du fer (par transformation de la magnétite en hématite). En effet, bien que ces opérations sont contraires à ce qu'on cherche à faire dans un haut fourneau, il est préférable de réaliser la chauffe et la réduction du minerai dans une étape distincte[16].

Recyclage[modifier | modifier le code]

Enfin, en étant une usine de conditionnement de minerais, l'usine d'agglomération permet donc de mélanger des minerais très différents, et d'y intégrer des sous-produits de la fabrication de l'acier riches en oxydes de fer, comme les poussières et les boues issues du dépoussiérage des gaz de haut fourneau ou de convertisseur, les boues de haut fourneau et d'aciérie, les laitiers, les battitures et la calamine récupérées au laminage.

Évolutions en cours[modifier | modifier le code]

Installation dédiée au recyclage, l'usine d'agglomération est, paradoxalement, une installation polluante qui rejette une grande quantité de poussières (50% des poussières émises par un complexe sidérurgique intégré) contenant des dioxines. Les fumées aspirées sous la chaîne sont soigneusement dépoussiérées et les poussières recyclées dans le procédé. Mais l'efficacité des filtres électrostatiques utilisés dépend beaucoup des conditions du procédé, en particulier de la température des fumées. Avec la mise au point de filtres à manches de grande taille, les normes de rejets évoluent. Il est en effet possible de descendre sous les 115 mg/Nm3 dans le cas du filtre à manches, alors qu'on n'atteint que 2040 mg/Nm3 dans le cas d'un électrofiltre conçu et exploité de manière à atteindre ces valeurs. Quant aux émissions de SO2 ou de NOx, elles peuvent être limitées par l'addition de réactifs dans la charge agglomérée ou dans les fumées,…)[17].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. L'anthracite, qui est un charbon de haute qualité, peut partiellement remplacer le coke[1].
  2. Par ordre de températures croissantes : la calcination réalise, entre autres, une décarbonatation ; le grillage (en) une oxydation ; le frittage qui donne une structure poreuse et solide (par fusion partielle).
  3. Pour Michel Freyssenet, la généralisation trop tardive de l'agglomération de minerai en France est une des causes de la crise de la sidérurgie dans le bassin lorrain[12].
  4. L'olivine apporte aussi de la magnésie qui règle la basicité du laitier, limite la tendance à fuser du laitier cristallisé[13]
  5. Malgré son coût élevé d'investissement (estimé en 2005 à 40 $/tonne d'aggloméré annuelle, soit 200 M$ pour une grosse chaîne d'agglomération de capacité 5 Mt/an[14]) et de fonctionnement (estimé en 2005 à 60 $/tonne d'aggloméré[14]), l'usine d'agglomération se justifie aisément par l’amélioration significative de la consommation de coke du haut fourneau, par rapport à une marche en « minerai cru ». En effet, un « lit de fusion riche permet, dans le même haut fourneau, des productions supérieures de 30 à 40 % à celles qui seraient obtenues avec l'aggloméré lorrain, et de 100 à 120 % supérieures aux productions qui correspondaient au minerai lorrain cru[15] ». C'est le même raisonnement qui justifie l'investissement dans de coûteux fours à vent chaud ou des installations d'injection de charbon aux tuyères.
  6. Historiquement, le grillage des pyrites, résidus de la fabrication d'acide sulfurique, était uniquement destiné à ôter le soufre et le zinc. En effet, celles-ci contiennent 60 à 65% de fer et moins de 0,01% de phosphore, mais jusqu'à 6% de soufre et 12% de zinc[L 4].

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Craig L. Bartholomew et Lance E. Metz, The Anthracite Industry of the Lehigh Valley, Ann Bartholomew,‎ 1988, 227 p. (ISBN 0-930973-08-9)
  2. « Description du Zinc sur SocieteChimiquedeFrance.fr » (consulté le 22/05/2013)
  3. « Description du Plomb sur SocieteChimiquedeFrance.fr » (consulté le 22/05/2013)
  4. a, b, c, d, e et f (en) Julius H. Strassburger, Dwight C. Brown, Terence E. Dancy et Robert L. Stephenson, Blast furnace - Theory and practice, vol. 1, New-York, Gordon and Breach Science Publishers,‎ 1984, 275 p. (ISBN 0-677-13720-6, lire en ligne), p. 221-239
  5. (de) Bruno Kerl, Grundriss der Eisenhüttenkunde, Leipzig, Verlag von Arthur Felix,‎ 1875, p. 66
  6. (en) William E. Greenawald, « The Greenawald Sintering Process », Mining and Scientific Press, vol. 122,‎ 15 janvier 1921, p. 81-85 (lire en ligne)
  7. (en) L. Hand (Circuit Judge), DWIGHT & LLOYD SINTERING CO., Inc., versus GREENAWALT (AMERICAN ORE RECLAMATION CO., Intervener)., Circuit Court of Appeals, Second Circuit,‎ 20 août 1928 (lire en ligne)
  8. 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,‎ 1989 [détail des éditions], A11-A12
  9. (en) « Presidents of the Colorado Scientific Society: Arthur Smith Dwight (1864 - 1946) », Colorado Scientific Society
  10. (en) « Patent Number: US000916392 », United States Patent and Trademark Office
  11. 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,‎ 2003 [détail des éditions], Tome 1, p. 808-809
  12. a et b [PDF]Michel Freyssenet, La sidérurgie française 1945-1979 : L'histoire d'une faillite. Les solutions qui s'affrontent, Paris, Savelli, coll. « Documents critiques »,‎ 1979, 241 p. (ISBN 9782859300302, OCLC 417353871, notice BnF no FRBNF34648522, présentation en ligne, lire en ligne), p. 25 ; 28 ; 40-41 ; 67
  13. 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,‎ 1989 [détail des éditions] (lire en ligne), p. 3250etc.
  14. a, b et c Jacques Astier, « Agglomération des minerais de fer », dans Techniques de l'ingénieur Traité matériaux métalliques, Éditions techniques de l'ingénieur (lire en ligne)
  15. Jean Duflot, Encyclopædia Universalis (lire en ligne), « Sidérurgie »
  16. (en) Thomas Turner (dir.), The metallurgy of iron: By Thomas Turner... : Being one of a series of treatises on metallurgy written by associates of the Royal school of mines, C. Griffin & company, limited, coll. « Griffin's metallurgical series »,‎ 1908, 3e éd., 463 p. (ISBN 1177692872 et 978-1177692878, lire en ligne), p. 87-88
  17. [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. 13-14 ; 119-139
  1. Tome 1, p. 252-253
  2. Tome 1, p. 254-271
  3. Tome 1, p. 260-270
  4. a et b Tome 1, p. 231-233 ; 245-247

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Adolf Ledebur (trad. Barbary de Langlade revu et annoté par F. Valton), Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II, Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur,‎ 1895 [détail des éditions]
  • Jacques Astier, « Agglomération des minerais de fer », dans Techniques de l'ingénieur Traité matériaux métalliques, Éditions techniques de l'ingénieur (lire en ligne)
  • (en) Julius H. Strassburger, Dwight C. Brown, Terence E. Dancy et Robert L. Stephenson, Blast furnace - Theory and practice, vol. 1, New-York, Gordon and Breach Science Publishers,‎ 1984, 275 p. (ISBN 0-677-13720-6, lire en ligne), p. 221-239

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]