128[E]scorie / [E]minerai, avec [E] la concentration élémentaire.
129 A titre informatif, l’observation microscopique d’une coupe transversale a montré qu’elle contient une quantité importante de scorie sous forme d’inclusions et que l’ensemble de la structure métallique est ferritique.
O Fe Si Al Ca
comportements, déjà présentée dans le Chapitre I § I.7.1, et reprenons exactement les mêmes critères qui permettent de les différencier. Cette procédure permet de définir un facteur d’enrichissement de la scorie par rapport au minerai, nommé Emsc. Pour une présentation détaillée de ce graphique, se reporter aux travaux de Desaulty (2008). Ce facteur d’enrichissement relatif à l’ensemble des éléments analysés pour XP07 est représenté dans la Figure IV.3.
Figure IV.3 − (Haut) : Composition moyenne des scories normalisée à celle du minerai et valeur de Emsc modal pour l’expérimentation XP07. (Bas) : Fréquence des valeurs Emsc pour la détermination de Emsc modal (EDS, ICP-MS, INAA)
On peut remarquer que la valeur de E msc est proche pour plusieurs éléments. L’enrichissement dans la scorie qui a le plus fort effectif (ou E msc modal) peut alors être déterminé. Pour rechercher la valeur de E msc modal, une courbe de répartition en fréquence est réalisée. Pour
Al Si K Ca Mg Mn Fe Ti V Zr Cr Ba Rb Sr Na P Cs Ta U Th Sc Hf La Ce Sm Eu Tb Yb Y Nb Nd S Sb Co Ni W As Mo Zn
éléments susceptibles d’être apportés par la paroi éléments susceptibles d’être apportés par les cendres du charbon de bois
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8
cette expérimentation, la valeur de Emsc modal est proche d 1,4 (Figure IV.3). Un nombre conséquent d’éléments présente un même enrichissement lors de l’opération de réduction. On peut supposer qu’il n’est pas lié aux pollutions amenées par les sources de contamination (paroi et charbon de bois). Cela signifierait, en effet, que les éléments présents dans ces sources ont tous des concentrations identiques et sont enrichis de la même manière, ce qui est peu probable. En effet, les analyses du charbon de bois et de la paroi, détaillées auparavant, permettent de réfuter cette hypothèse. Il est donc admissible que les éléments pour lesquels E
msc est proche ne sont pas pollués significativement par les autres composants du système. Emsc modal reflète alors l’enrichissement de la scorie par rapport aux minerais pour les éléments faiblement pollués. En conséquence, on s’attend à ce que ces éléments auront des rapports constants entre eux.
Lorsque Emsc > E msc modal, les éléments sont davantage enrichis dans la scorie par rapport au cas précédent. Cet enrichissement plus marqué, traduirait une contamination par les cendres de charbon de bois ou la paroi du bas fourneau. C’est le cas de Al, Si, K, Ti, V, Zr, Cr, Rb. On note également une teneur légèrement supérieure pour le sodium. Ces éléments auraient donc été apportés au système par les contaminants.
Comme le montre la Figure IV.1, les cendres du charbon de bois sont riches en potassium et calcium. Cependant, seul l’apport chimique en potassium semble significatif. Rappelons que la pollution d’un élément est d’autant plus perceptible que sa teneur est faible dans le minerai et, comme nous l’avons vu précédemment, le minerai employé pour la réduction est très riche en calcium (21%mass). Les cendres du charbon de bois n’ont donc pas notablement influencé la teneur en calcium des scories. Concernant la légère pollution en sodium, nous pouvons supposer que les scories ont incorporé la faible part de contamination que pouvait apporter la cendre. De manière générale, l’influence des cendres du charbon de bois est faible pour cette réduction. Ceci est à mettre en relation avec des teneurs relativement basses, surtout pour les éléments traces, par rapport au minerai.
La paroi étant très riche en silicium et aluminium, il n’est pas étonnant de retrouver leur importante contribution dans la composition des scories. Les éléments traces lithophiles enrichis par rapport au minerai (Ti, V, Zr, Rb, Cr) sont également clairement apportés par le revêtement du bas fourneau. Enfin, nous remarquons que certains éléments, comme le barium et le strontium, sont présents en quantité relativement élevée dans la paroi. Aucune contamination de ces éléments n’est cependant perceptible sur la composition de la scorie.
Ceci pourrait être notamment dû à leur teneur particulière dans le minerai : 2300 ppm pour Ba et 200 ppm pour Sr.
Lorsque 1 ≤E msc <E msc modal, la scorie ne montre qu’un faible enrichissement, inférieur à E msc
modal. On peut donc supposer, parallèlement, qu’une part de l’élément est également passée dans
le métal et que ce cas correspond aux éléments qui se partagent entre la scorie et le métal.
L’analyse élémentaire de la matrice métallique permettrait de comprendre ce comportement de façon plus explicite.
Lorsque E m sc < 1, les éléments sont considérablement appauvris dans la scorie. Pour la réduction XP07, c’est le cas de Fe, As, Zn, Sb, W et Co. Soit ces éléments sont enrichis dans le métal, soit ils sont volatils. Pour cette expérimentation, dans la mesure où le métal n’a pas été analysé, il nous est impossible de différencier les deux hypothèses130. Le même phénomène peut être observé pour l’élément Ta. Ce dernier résultat peut cependant sembler erroné dans la mesure où il ne correspond pas au comportement lithophile attendu pour cet élément d’après la bibliographie (Hagemann & Treuil, 1998). Nous l’attribuons donc à une erreur de dosage du minerai. En effet, sur l’ensemble des minerais de la mine du Rancié analysés, les teneurs en Ta sont généralement très faibles (0,5<ppm<3), voire inférieures à la limite de détection. Le dosage à 15 ppm dans le minerai utilisé pour XP07 peut donc être entaché d’une très forte erreur.
L’ensemble de ces comparaisons nous amène à distinguer quatre comportements pour les éléments analysés :
- 1/ un passage majoritaire de l’élément dans la scorie, sans pollution.
- 2/ un passage majoritaire de l’élément dans la scorie, avec pollution.
- 3/ un partage de l’élément entre la scorie et la matrice métallique.
- 4/ un appauvrissement dans la scorie (passage dans le métal ou éléments volatils).
I.1.2. Bilan et comparaison
Dans le Tableau IV.1, sont confrontées les données obtenues pour l’expérimentation XP07 à celles mises en évidence par Desaulty (2008).
130D’après la littérature, le comportement volatil de certains éléments (As, Zn,…) est cependant bien connu.
Tableau IV.1 − Bilan du comportement des éléments analysés lors de l’expérimentation XP07 comparé à celui observé par Desaulty (2008) (XP03, XP05, XP09)
E msc ~ E m sc modal
scorie, sans pollution Passage majoritaire dans la scorie, avec
éléments au comportement variable en fonction des expérimentations
E éléments analysés pour XP07 mais non analysés pour les autres expérimentations
E m l facteur d’enrichissement de la loupe (métal) par rapport au minerai (Desaulty, 2008)
Cette comparaison montre que si certains éléments ont le même comportement quelle que soit l’expérimentation, d’autres semblent avoir un comportement différent en fonction de celle-ci.
Ces derniers sont encadrés dans le tableau. Les éléments analysés uniquement dans le cadre de l’expérimentation XP07 sont soulignés. On peut donc regrouper les éléments analysés en fonction de ces caractéristiques. Ces groupes sont détaillés ci-dessous et nous permettront de sélectionner les éléments adéquats à la caractérisation des espaces sidérurgiques.
Les éléments au comportement variable
Certains éléments, comme Al, Zr, Sr, Ca et Mg, ont un comportement non reproductible. En effet, selon l’expérience, ils appartiennent soit à la famille des éléments pollués, soit à celle des éléments non pollués. Ce changement met en avant un aspect essentiel de ces comportements :