%SiO /%CaO
2%S
iO
/
%
F
e
2Figure II-7 Diagramme de composition optimale des laitiers pour la production du plomb par fusion (d’après
2. METALLURGIE DU PLOMB
2.1. Généralités
Les minerais de plomb contiennent également d’autres métaux (Cu, Zn, Sb, Fe, As, Sn, Ag et Bi), ainsi que des minéraux de gangue. Donc, dans un minerai courant, les teneurs en métaux principaux (Pb, Zn, Cu) sont dans l’ordre de quelques pour-cent. Pour cette raison, le minerai est préalablement traité et arrive dans les usines métallurgiques soit sous forme de concentré sélectif avec 40-75 % de Pb, soit sous forme de concentré collectif Pb-Zn. Dans les années 80, plus de 45 % de la production du Pb a été basée sur le traitement secondaire de déchets, principalement des anciennes batteries automobiles, câbles et débris de Pb (Beránek et al., 1984).
2.2. Procédés et techniques utilisés pour la production du plomb
Le plomb est produit exclusivement par le procédé pyrométallurgique (procédé à chaud)(figure II-8). Le procédé le plus répandu est le grillage et la fusion réductrice (90 % de la production mondiale) ; 5 % de Pb est produit à partir des concentrés Pb-Zn par le procédé ISP (Imperial Smelting Process) et le reste par d’autres techniques (dans les fours électriques, KIVCET, KEPAL).
Les méthodes du traitement utilisées dans l‘usine métallurgique de Příbram seront décrites ci-dessous, ainsi que le procédé ISP et le procédé de „fuming“ appliqué à la réutilisation des laitiers pour la production des métaux.
1.3. Production du plomb à partir des minerais de Pb
1.3.1. Grillage des concentrés
Dans un premier temps, le minerai broyé (à 6 mm) ou le concentré est grillé dans les convertisseurs (surtout Dwight-Lloyd) afin d’éliminer le soufre. Le grillage en deux phases est presque universellement adopté : le grillage préalable abaisse la teneur en S (10-14 % à l’origine) jusqu’à 6 % et il peut s’opérer sans combustible. Le grillage agglomérant qui amène la teneur en S à 2 % et moins, est réalisé en présence de coke, de calcaire broyé, de minerais ferreux et de scories de repassage granulées qui serviront ensuite comme les fondants lors de la fusion réductrice (Gadeau, 1959, Chaussin & Hilly, 1968). Le deuxième stade de procédé
de grillage est connecté à une agglomération afin de produire un matériau de charge qui possède de bonnes caractéristiques de résistance, de porosité, d’homogénéité et surtout de grosseur (dimensions des morceaux) (Beránek et al., 1984). La dimension des morceaux est un paramètre très important pour le fonctionnement du fourneau pendant la fusion. Les anciens métallurgistes gardaient leur tradition en produisant un minerai de charge dont les morceaux avaient la taille de la „tête d‘enfant“ (c‘est-à-dire 15 cm de diamètre) (Vurm K., communication personnelle). Les blocs calibrés doivent être suffisamment résistants pour ne pas s’effriter ou s’écraser dans le four de réduction ; une grosseur importante des morceaux génère des espaces libres dans la charge et permet donc un écoulement satisfaisant des gaz (surtout CO) qui peuvent préalablement réduire le matériel encore non fondu dans la partie supérieure du four à cuve (Bihannic & Venin, 1992, Vurm K., communication personnelle).
Figure II-8 Schéma des procédés technologiques de production de Pb à partir des minerais de Pb (d‘après
Beránek et al., 1984). Minerais sulfurés de Pb concentré de Pb Grillage et agglomération Fusion réductrice (four à cuve) Traitement du concentré dans le four électrique (présence de l’air et C) Traitement du concentré par les procédés oxydantes (KIVCET) matte de Cu-Pb Pb brut production de Cu Affinage (électrolytique ou thermique) Pb affiné autres métaux (Ag, Au, Sb, Bi) Désulfuration de Pb brut Extractionde Pb du laitier riche Affinage Pb affiné Pb brut Affinage Pb affiné Extraction de Zn ou de ZnO
1. 2. 3.
Pour la charge dans les fours à cuve, la teneur en soufre dans l’agglomérat ne peut excéder 2 % en poids. Il est très difficile d’obtenir des agglomérés ayant des teneurs aussi basses en soufre par une simple réduction des matières premières qui contiennent de 10 à 14 % de S. Pour cette raison, une partie d’aggloméré grillé est de nouveau ajoutée dans la charge de grillage des minerais, ce qui permet d’abaisser la teneur en S de la charge non traitée à 7-8 % (Bihannic & Venin, 1992, Beránek et al., 1984). Les usines métallurgiques modernes utilisent une agglomération forcée (sous pression). Cette technique permet de traiter les agglomérés plus riches en Pb sans que les grilles soient obturées. Les gaz résultant du grillage, riches en SO2, sont utilisés pour la production de l’acide sulfurique.
1.3.2. Fusion réductrice
Un aggloméré est fondu dans les fours à cuve appelés « water-jackets » (figure II-9) avec des ajouts de coke, castine, débris de fer et laitier de reprise. En général, la quantité de coke ajouté varie entre 8 et 14 % de la charge. Environ 1 % des débris de fer sont également ajoutés pour la décomposition des sulfures de Pb restants et pour la formation du laitier. Dans un aggloméré (qui représente de 40 à 50 % de la charge) le plomb est présent sous différentes formes chimiques (Gill, 1980). A une température plus élevée, tous les composés de plomb réagissent avec les ajouts. Le coke brûle (en formant CO et CO2) dans la partie la plus chaude du four, c’est-à-dire au niveau de la sortie des tuyères de conduite d’air. La température peut attendre environ 1440 °C (Gill, 1980). La réaction suivante a lieu en excès de CO:
PbO + CO = Pb + CO2 [II-17]
Les autres métaux se comportent différemment : Zn passe dans le laitier sous forme de ZnO, As et Sb s’échappent partiellement avec les gaz sous forme d’oxydes trivalents volatils, une partie plus importante de As et Sb se concentre avec Sn et avec des métaux nobles dans le plomb brut (Beránek et al., 1984).
Le plomb brut (appelé également un plomb d’œuvre) avec 90-96 % de Pb représente le
produit principal de la fusion réductrice. A cause des impuretés (Cu, As, Sb, Sn, Ag, petite quantité de Fe et également Bi), le plomb brut doit être affiné (Beránek et al., 1984).