Scories - Slag

Pour d'autres utilisations, voir Slag (homonymie) .
Le laitier en fusion est transporté à l'extérieur et versé dans une décharge
La fabrication du fer - Carting Away the Scoriæ (scorie), une gravure sur bois de 1873

Le laitier est le sous-produit semblable au verre qui reste après qu'un métal souhaité a été séparé (c'est-à-dire fondu ) de son minerai brut . Le laitier est généralement un mélange d' oxydes métalliques et de dioxyde de silicium . Cependant, les scories peuvent contenir des sulfures métalliques et des métaux élémentaires. Bien que les scories soient généralement utilisées pour éliminer les déchets dans la fusion des métaux, elles peuvent également servir à d'autres fins, telles que l'assistance au contrôle de la température de la fusion et la minimisation de toute réoxydation du produit métallique liquide final avant que le métal fondu ne soit retiré de la four et utilisé pour fabriquer du métal solide. Dans certains procédés de fusion, tels que la fusion de l' ilménite pour produire du dioxyde de titane , le laitier est le produit de valeur au lieu du métal.

Laitier basique

Le laitier de base est un co-produit de la sidérurgie et est généralement produit soit par la voie haut fourneau - convertisseur d'oxygène, soit par la voie four à arc électrique - four poche. Pour fondre la silice produite lors de la fabrication de l'acier, du calcaire et/ou de la dolomie sont ajoutés, ainsi que d'autres types de conditionneurs de laitier tels que l'aluminate de calcium ou le spath fluor . Les principaux composants de ces scories comprennent donc les oxydes de calcium, de magnésium, de silicium, de fer et d'aluminium, avec des quantités moindres de manganèse, de phosphore et d'autres selon les spécificités des matières premières utilisées.

En raison de la teneur en phosphate lentement libérée dans les scories contenant du phosphore et en raison de son effet chaulant , il est apprécié comme engrais dans les jardins et les fermes des zones sidérurgiques. Cependant, l'application la plus importante est la construction.

Fusion de minerai

Dans la nature, le fer, le cuivre , le plomb , le nickel et d'autres métaux se trouvent dans des états impurs appelés minerais , souvent oxydés et mélangés avec des silicates d'autres métaux. Lors de la fusion, lorsque le minerai est exposé à des températures élevées, ces impuretés sont séparées du métal en fusion et peuvent être éliminées. Le laitier est l'ensemble des composés qui sont éliminés. Dans de nombreux procédés de fusion, des oxydes sont introduits pour contrôler la chimie des scories, aidant à l'élimination des impuretés et protégeant le revêtement réfractaire du four contre une usure excessive. Dans ce cas, le laitier est dit synthétique . Un bon exemple est le laitier sidérurgique : de la chaux vive (CaO) et de la magnésite (MgCO 3 ) sont introduites pour la protection des réfractaires, neutralisant l' alumine et la silice séparées du métal, et aident à l'élimination du soufre et du phosphore de l'acier.

Écoulement de laitier de l'un des fours à sole ouverte d'une aciérie, Republic Steel , Youngstown, Ohio, novembre 1941. Le laitier est retiré du four juste avant que l'acier en fusion ne soit versé dans des poches pour le lingottage .

Les procédés de fusion ferreux et non ferreux produisent des scories différentes. La fusion du cuivre , du plomb et de la bauxite dans la fusion des métaux non ferreux, par exemple, est conçue pour éliminer le fer et la silice qui se produisent souvent avec ces minerais et les sépare sous forme de scories à base de fer-silicate.

Acier

Les scories des aciéries dans les fonderies ferreuses, d'autre part, sont conçues pour minimiser les pertes de fer et contiennent donc principalement des oxydes de calcium , de silicium , de magnésium et d' aluminium . Tout composant sableux ou composant de quartz du minerai d'origine subit automatiquement le processus de fusion sous forme de dioxyde de silicium.

Un chemin à travers un terril à Clarkdale , Arizona , montrant les stries des tôles ondulées rouillées qui le retiennent.

Au fur et à mesure que les scories sont évacuées du four, de l'eau est versée dessus. Ce refroidissement rapide, souvent à partir d'une température d'environ 2 600 °F (1 430 °C), marque le début du processus de granulation. Ce processus provoque plusieurs réactions chimiques au sein du laitier et confère au matériau ses propriétés cimentaires .

L'eau transporte le laitier sous sa forme bouillie vers un grand réservoir d'agitation, d'où il est pompé le long d'un système de tuyauterie dans un certain nombre de lits filtrants à base de gravier. Les lits filtrants retiennent alors les granulés de scories, tandis que l'eau s'écoule et retourne dans le système.

Une fois le processus de filtrage terminé, les granulés de scories restants, qui donnent maintenant l'apparence de sable de plage grossier, peuvent être extraits du lit filtrant et transférés vers l'installation de broyage où ils sont broyés en particules plus fines que le ciment Portland .

Applications

Utilisations anciennes

Au début du laitier du Danemark, c. 200-500  CE

Au cours de l' âge du bronze de la Méditerranée , un grand nombre de procédés métallurgiques différentiels étaient utilisés. Un sous-produit de scories de ces travaux était un matériau vitreux coloré, vitreux trouvé sur les surfaces de scories provenant d'anciennes fonderies de cuivre. Il était principalement bleu ou vert et était autrefois ébréché et fondu pour fabriquer des produits en verre et des bijoux. Il a également été broyé en poudre à ajouter aux glaçures pour une utilisation en céramique. Certaines des premières utilisations de ce type pour les sous-produits des scories ont été trouvées dans l'Egypte ancienne.

Historiquement, la refusion des scories de minerai de fer était une pratique courante, car les techniques de fusion améliorées permettaient des rendements en fer plus élevés, dépassant dans certains cas ceux obtenus à l'origine. Au début du XXe siècle, le laitier de minerai de fer était également réduit en poudre et utilisé pour fabriquer du verre d'agate , également connu sous le nom de verre de laitier.

Utilisations modernes

Le laitier granulé broyé est souvent utilisé dans le béton en combinaison avec du ciment Portland dans le cadre d'un ciment mélangé. Le laitier granulé broyé réagit avec un sous-produit de calcium créé lors de la réaction du ciment Portland pour produire des propriétés cimentaires. Le béton contenant du laitier granulé broyé développe sa résistance sur une plus longue période, ce qui entraîne une perméabilité réduite et une meilleure durabilité. Le volume unitaire du ciment Portland étant réduit, ce béton est moins vulnérable aux attaques alcalis-siliciques et sulfatées .

Le laitier est utilisé dans la fabrication de bétons à hautes performances, en particulier ceux utilisés dans la construction de ponts et d'éléments côtiers, où sa faible perméabilité et sa plus grande résistance aux chlorures et aux sulfates peuvent aider à réduire l'action corrosive et la détérioration de la structure. Le laitier peut également être utilisé pour créer des fibres utilisées comme matériau isolant appelé laine de laitier .

Impacts environnementaux

Lac Calumet, Chicago, Illinois

Le pH influence

Une étude de cas sur les eaux souterraines du lac Calumet , dans l'Illinois, montre que les scories d'acier peuvent former des eaux souterraines extrêmement alcalines en augmentant constamment le pH jusqu'à 12,8. Les scories contiennent des silicates de calcium (CaSiO 4 ) qui réagissent avec l'eau et produisent des ions Ca-OH qui entraînent une concentration plus élevée d' hydroxyde (OH-) dans les eaux souterraines. Lorsque les eaux souterraines se déversent et entrent en contact avec le CO 2 dans l' atmosphère , des précipitations de calcite se forment et s'accumulent jusqu'à 20 cm d'épaisseur. À mesure que le pH augmente, de nombreux autres métaux provenant également des scories tels que le fer (Fe) , le manganèse (Mg) , le nickel (Ni) et le molybdène (Mo) deviennent plus insolubles dans l'eau et mobiles sous forme de particules . La méthode la plus efficace pour désintoxiquer les rejets d'eaux souterraines alcalines est le barbotage d'air .

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Dimitrova, SV (1996). « La sorption de métal sur le laitier de haut fourneau ». Recherche sur l'eau . 30 (1) : 228-232. doi : 10.1016/0043-1354(95)00104-S .
  • Roy, DM (1982). « Hydratation, structure et propriétés des ciments, mortiers et bétons de laitier de haut fourneau ». Actes de la revue ACI . 79 (6).
  • Fredericci, C.; Zanotto, éd ; Ziemath, CE (2000). « Mécanisme de cristallisation et propriétés d'un verre de laitier de haut fourneau ». Journal des solides non cristallins . 273 (1–3) : 64–75. Bibcode : 2000JNCS..273 ... 64F . doi : 10.1016/S0022-3093(00)00145-9 .