Étude de la composition et des structures de produits agglomérés
3.1.1 Matières premières du processus d’agglomération
Étude de la composition et des structures
de produits agglomérés
3.1 Étude bibliographique de la composition des
ag-glomérés
3.1.1 Matières premières du processus d’agglomération
Les matières premières du processus d’agglomération sont constituées de minerais de fer, de combustibles, de fondants et de fines de retour.
3.1.1.1 Minerais de fer
Les minerais contenant du fer sont très nombreux, mais un nombre limité d’entre eux sont utilisés comme source de matière première. Les minerais de fer sont concentrés en gisements et chaque gisement contient plusieurs minerais différents. Il existe plus de quinze types de gisements différents. Seuls les minerais les plus fréquemment utilisés en sidérurgie sont présentés dans la partie qui suit :
• Gisement « Quartzites ferrugineux »(SiO2 + FeO, Fe2O3, Fe3O4) : Ces gisements contiennent principalement de la silice (SiO2) et des oxydes de fer. Ces formations apparaissent dans les vieux socles précambriens du monde : Amérique du Nord, Brésil, Venezuela, Afrique, Scandinavie, Russie, Ukraine, Inde, Australie [3.1]. Les quartzites ferrugineux ont des teneurs de fer variant entre 25 et 45%. Les principaux minerais issus de ce gisement sont :
1. la jaspillite (mélange de quartz SiO2 et d’hématite Fe2O3), 2. l’oligiste (hématite rouge Fe2O3),
• Les minerais riches en hématite (Fe2O3) : Ces minerais sont formés aux dépens des quartzites ferrugineux par lessivage de la silice dans des conditions géologiques et géographiques bien définies. La plupart des ces gisements apparaissent au Canada, aux États-Unis, au Venezuela, au Brésil, en Inde, en Mauritanie, et en Australie. Ils constituent de grandes masses à teneur en fer très élevée (65% environ). Leur composition chimique est bien identifiée avec Fe2O3 comme composé principal. On retrouve aussi de la magnétite résiduelle (Fe3O4), de la silice (SiO2), des petites quantités d’alumine (Al2O3) (1 à 2%) et rarement du phosphore (P) (<0,1%). Ces minerais constituent plus de 65% des minerais importés en Europe.
• Minerais de ségrégation dans les roches acides : Ces minerais sont intéressants par leur teneur en fer élevée. Ils sont associés à des laves acides et sont constitués de magné-tite (Fe3O4), d’oligiste (hématite rouge Fe2O3) et d’apatite (Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)). Les teneurs en fer varient entre 50 et 71% avec 0,8 à 2% de phosphore (P). On retrouve également des alcalins, du titane (Ti) et du vanadium (V).
• Minerais oolithiques : Les minerais de fer oolithiques sont très répandus. Ils ont constitué la base des approvisionnements de plusieurs sidérurgies européennes et, en particulier, la sidérurgie française. Ces minerais sont caractérisés par une grande variété de constituants : limonite (FeO(OH)), hématite rouge (Fe2O3), magnétite (Fe3O4), sidérose (FeCO3), pyrite (FeS2), quartz (SiO2) et calcite (CaCO3).
En résumé, on s’aperçoit que la plupart des gisements exploités ont une teneur en fer comprise entre 25 et 70% [3.1,3.2]. Les principaux minerais de fer sont des minerais oxydés, des minerais sulfurés, des carbonates et des silicates. Les caractéristiques minéralogiques des minéraux présents sont résumées dans le tableau 3.1.
Tableau 3.1: Caractéristiques minéralogiques des minéraux employés en sidérurgie [3.2]
Type Minerai de fer Formule chi-mique Couleur Densité (g/cm3) Teneur max. en fer, % en masse
Oxyde Magnétite Fe3O4 noir 5,17 72,4
Oxyde Martite Fe3O4, Fe2O3 rouge foncé 5,1 – 5,2
-Oxyde Hématite Fe2O3 rouge 5,26 69,9
Hydroxyde Limonite 2 Fe2O3· 3 H2O brun 3,6 – 4,0 59,8 Hydroxyde Goethite Fe2O3· H2O noir, brun 4,0 – 4,4 62,9 Hydroxyde Hydrohématite Fe2O3· nH2O
(n∼0,1)
rouge 4,2 – 4,6 69,0
Carbonate Sidérose FeCO3 marron 3,9 48,8
Les oxydes de fer sont les constituants essentiels de tous les minerais riches, d’où leur nom « d’oxydes prédominants ».
V La magnétite, formule chimique Fe3O4 (72,3% en fer) possède une couleur noire, un éclat métallique et est souvent accompagnée d’impuretés comme la silice, la chaux, l’alumine ou le phosphore.
V L’hématite, Fe2O3 contient 69,9% en masse de fer. Une petite proportion du fer peut être remplacée par de l’aluminium, du vanadium et du titane.
V La martite (Fe3O4 + Fe2O3) provient de l’oxydation de la magnétite, transformée en hématite avec conservation des formes extérieures des cristaux de magnétite.
Les minerais hydroxydes sont la limonite, la goethite et l’hydro-hématite.
VLa limonite (ou hématite brune) FeO(OH) · nH2O (62,85% en fer ; 27,01% en oxygène et 10,14% en eau). Les limonites sont également une source importante de minerais à travers le monde. Elles sont à la fois oxyde et hydroxyde de fer.
V La goethite et la lépidocrocite possèdent une même formule FeO(OH). Ce sont deux hydroxydes de fer qui ont des propriétés très voisines.
Les carbonates
Parmi les carbonates, seule la sidérose FeCO3 est un constituant important de certains minerais de fer. Lorsqu’elle est pure, elle contient 48,8% de fer mais celui-ci est souvent partiellement remplacé par du magnésium, du manganèse ou du calcium, les teneurs en fer les plus courants de la sidérose variant entre 40 et 45%.
Les sulfures
La pyrite FeS2 (46,55% en fer et 53,45% en soufre) n’est jamais utilisée directement pour la production du fer à cause de l’effet fragilisant du soufre sur les alliages ferreux.
La gangue :
Dans un minerai de fer, on distingue généralement les minéraux ferrifères et les minéraux non ferrifères. Les minéraux ferrifères sont les composés contenant du fer, tels que les oxydes de fer, les hydroxydes de fer et les sels de fer comme ceux présentés précédemment. A l’opposé, les minéraux non ferrifères ne contiennent pas de fer, et sont associés à la gangue et aux impuretés. La gangue est généralement constituée de silice (SiO2), de chaux (CaO), d’alumine (Al2O3), et de magnésie (MgO) [3.1, 3.2]. Les composés constituants la gangue sont très importants car ils contribuent à la formation de la « colle » entre les particules au cours du procédé d’agglomération. Par ailleurs, les impuretés se divisent en deux types : celles qui sont utiles et celles qui sont nocives. Les impuretés utiles correspondent aux Mn, Cr, Ni, V, W, ou Mo et améliorent la qualité de l’acier. Les impuretés nocives détériorent la qualité de l’acier (S, P, As), ou diminuent la durée de vie du haut fourneau (Zn, Pb).
3.1.1.2 Combustible : poussière de coke et de charbon
La présence de combustible permet d’effectuer la cuisson du mélange. Le combustible utilisé dans le processus d’agglomération peut appartenir à trois familles :
1. La poussière de coke provenant du criblage à la cokerie. Elle convient très bien car elle ne présente pas d’inconvénient par exemple la présence de soufre au cours de la combustion. Elle peut être consommée jusqu’à 100%. Sa teneur en carbone est de 85 à 88%, sa teneur en cendres de 10 à 13%.
2. Le coke de pétrole peut être utilisé pour l’agglomération afin de profiter de ce sous-produit qui provient des raffineries. Il a un pouvoir calorifique plus important. Mais il ne peut être utilisé qu’en quantités limitées dans le mélange à cause des ses inconvénients :
Û la présence de soufre,
Û la présence de matière volatile (l’hydrogène, le méthane et divers composants minoritaires comme l’acétylène, l’éthylène ou les oxydes de carbone),
Û la présence de goudron.
3. Les charbons naturels, tels que l’anthracite et les fines maigres (charbon dit maigre parce qu’il contient moins de 10% de matières volatiles) n’ont pas d’inconvénient et peuvent être utilisés à 100%.
3.1.1.3 Fondants
Les fondants utilisés sont le castine (CaCO3), le chaux vive (CaO), le dolomie (CaCO3, MgCO3). Le rôle des fondants est d’abaisser la température de fusion de mélange. Les températures de fusion de CaO et Fe2O3 sont respectivement 2927°C et 1597°C. Par contre, le mélange de CaO · Fe2O3 a une température de fusion moyenne inférieure à ces deux composés (1216°C) (tableau 3.2).
Tableau 3.2: Température de fusion [3.3]
Composé Température de fusion(°C)
CaO 2927
Fe2O3 1597
CaO·Fe2O3 1216
Le mélange de Fe2O3 et CaO se forme un eutectique, qui est présenté sur la figure 3.1. L’interaction entre CaO et Fe2O3 provoque la baisse de la température de fusion. Nous remarquons que la température de fusion de mélange dépend de proportion d’oxyde de fer. Fe2O3 est soluble dans CaO, à l’état solide à la température minimale de 1216°C.
3.1.1.4 Les fines de retour
Les fines de retour sont constituées de particules d’aggloméré (<5 mm). Elles ne peuvent pas être consommées dans les hauts fourneaux car elles n’ont pas suffisamment de
Figure 3.1: Diagramme de phase de système CaO−Fe2O3−O2 pour une pression partielle en O2 de 1 atm. [3.4]
résistance mécanique pour supporter l’écrasement. Elles sont donc retournées au processus d’agglomération. Il existe deux types de fines de retour :
ã Les fines de retour chaudes, qui proviennent du criblage de l’aggloméré immédiate-ment après sortie du lit d’agglomération. Leur rôle principal est d’élever la température du mélange et de favoriser la productivité en stabilisant les conditions d’humidité du mélange. A Arcelor Mittal Dunkerque, un essai de suppression des fines de retour chaudes a été réalisé. Il avait pour objectif de diminuer le coût d’entretien des cribles et de rationaliser la gestion de l’alimentation de la chaîne. Cependant, cet essai a entraîné une diminution de la productivité de 5t/m2/j sur des périodes de marches équilibrées [3.5] le projet de suppression des fines chaudes a donc été abandonné,
ã Les fines de retour froides sont issues du criblage de l’aggloméré refroidi avant l’envoi au haut-fourneau. L’objectif de l’opérateur dans le dosage des fines de retour est d’assurer une consommation des fines de retour à hauteur de ce que la chaîne produit.