Laitier (métallurgie)

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En sidérurgie, le laitier est un sous produit de la métallurgie contenant des oxydes métalliques, essentiellement des silicates, des aluminates et de la chaux, qui sont formés en cours de fusion ou d'élaboration de métaux par voie liquide.

Origine

Le laitier apparait lors de l'élaboration des métaux ferreux sous forme liquide.

Laitier de haut fourneau

C'est un résidu issu de la fabrication de la fonte au haut fourneau, où il correspond à la gangue du minerai de fer, isolée de la fonte liquide où il flotte par différence de densité. On retrouve donc, en sortie d'un haut fourneau une proportion laitier/fonte correspondant à la richesse du minerai de fer utilisé.

Pour un haut fourneau fonctionnant avec des minerais de fer riches en fer, on atteint généralement une proportion 180 à 350 kg de laitier pour 1 tonne de fonte produite. La composition typique du laitier de fonte hématite est de 40% de chaux, 36% de silice, 10% d’alumine et 10% de magnésie^[1].

Pour le sidérurgiste, le laitier est un stérile, dont la valorisation, quoique non négligeable, est souvent moins intéressante que celle de la fonte. Les minerais de fer pauvres, comme la minette lorraine, induisent alors une plus grande consommation de coke au haut fourneau, puisque la quantité de matière à chauffer dans le haut fourneau est plus importante.

Le laitier de haut fourneau est souvent valorisé dans la fabrication de ciment (BFS-OPC) et dans les travaux publics (ballast, enrobé bitumé,...).

Laitier d'aciérie

Dans une aciérie, le laitier vient à la fois des convertisseurs, ou celui-ci est très oxydé, de la métallurgie en poche ou des fours électriques. Pour une tonne d'acier produite, on compte de 150 à 200 kg de laitier d'aciérie produits, que ce soit par la filière haut fourneau - convertisseur ou par fusion de ferrailles^[2].

Le rôle du laitier d'aciérie est plus complexe qu'au haut fourneau : il rassemble les impuretés et les éléments chimiques indésirables en absorbant les inclusions d'oxydes dissoutes dans le métal, généralement issues du calmage. Pour cela, il est essentiel de gérer sa composition, de manière à le rendre réactif. Une haute teneur en chaux, par exemple, va rendre le laitier capable de capter les oxydes de chaux au convertisseur, ce qui va rendre sa valorisation comme engrais envisageable. A la métallurgie en poche, une haute teneur en chaux rend le laitier basique, ce qui est favorable à la captation des inclusions d'alumine. Cependant, ce laitier doit aussi ménager les briques réfractaires... le réglage des laitiers d'aciérie est donc un compromis.

Certains oxydes du laitier, comme le FeO, peuvent oxyder les additions d'alliage comme le titane, l'aluminium, le bore... Dans ce cas, ces éléments d'alliages sont consommés, donc gaspillés, avant d'atteindre le métal liquide. Une quantité de laitier trop importante, ou une oxydation du laitier mal maîtrisée est donc dans ce cas rédhibitoire.

Les outils liés au traitement du laitier consistent généralement en un « rateau » pour « écrémer » le laitier flottant sur l'acier liquide. Des trémies permettent l'addition des produits destinés à constituer ou amender le laitier.

Les laitiers d'aciérie sont généralement de composition chaux-alumine, pour les aciers au carbone destinés aux produits plats, et chaux-silice pour les aciers au carbone destinés aux produits longs. Pour les aciers inoxydables, leur forte teneur en chrome rend inaptes à l'utilisation en remblais mais leur recyclage en interne dans l'aciérie est économiquement intéressant.

Le laitier au soudage

On appelle laitier la croûte qui se forme sur le bain de la soudure. Il protège ce bain de l'oxygène de l'air, et l'isole thermiquement.

Dans le soudage à l'électrode enrobée, c'est l'enrobage qui va, en fondant, créer le laitier.

On distingue alors les électrodes en fonction de leur enrobage:

• enrobage basique (riche en chaux), dont la mise en œuvre est difficile, mais qui assurent une excellente résistance mécanique.
• enrobage acide (riche en silice), à l'utilisation plus facile.

Valorisation des laitiers

Conditionnement

Plusieurs qualités de laitier sont présentes sur le marché. On peut premièrement les classer suivant leur origine :

• laitiers de hauts fourneaux (HF),
• laitiers d'aciérie électrique,
• laitiers d'aciérie de convertisseur à oxygène (LD), qui sont des laitiers d'aciérie

On peut aussi les classer suivant la façon dont ils ont été transformés :

• laitiers granulés,
• laitiers bouletés,
• laitiers cristallisés.

Les laitiers granulés et les laitiers bouletés sont produits grâce à la projection d'eau sous pression dans le laitier en fusion, dès la sortie du haut fourneau. Le produit obtenu est un sable fin et homogène.

Les laitiers cristallisés sont issus du refroidissement par aspersion d'eau du laitier en fusion coulé à terre. La solidification et le refroidissement du laitier amènent à son craquelage. Ce procédé est le premier historiquement réalisé : il ne nécessite qu'une fosse de stockage du laitier en fusion et des rampes d'arrosage. Son obtention ne consomme en outre que de faibles quantités d'eau. Cependant un concassage secondaire est généralement nécessaire pour utiliser ce matériau. L'inconvénient réside dans le fait que ce matériau présente une certaine hétérogénéité.

Actuellement, la tendance pour les laitiers de haut-fourneau va vers la granulation, éventuellement la cristallisation. La plus faible quantité de laitier produit par les aciéries ne rendant pas une installation de granulation ou bouletage rentable, les laitiers de convertisseur, de four électrique ou de poche sont cristallisés.

Il faut cependant noter que les laitiers sidérurgiques, en piégeant certains composés ou métaux lourds, peut être très polluant pour les sols^[3]

Utilisation

On peut définir trois grandes classes d'utilisation des laitiers en tant que :

• liants à potentiel hydraulique partiellement substituable au ciment;
• matière première pour la fabrication du verre
• granulats (en composant de produits traités ou non);
• sous forme d'engrais et d'amendement de sols.

Utilisation sous forme de liants hydrauliques

Les laitiers granulés ou bouletés peuvent développer une prise hydraulique lente sous l'effet d'un activant (clinker ou chaux). Après broyage fin (3500 à 4500 blaines) puis séchage, ils trouvent leurs utilisations comme composant principal ou secondaire du ciment.

Ces laitiers dits « GGBS » (Ground Granulated Blast furnace Slag c'est-à-dire laitier de haut fourneau granulé broye) entrent dans la composition des ciments composés, clinker et ajouts (laitier, cendres volantes, calcaire, ...).

Utilisation sous forme de granulats

L'utilisation sous forme de granulats est moins rentable que l'utilisation sous forme de liant hydraulique. Cependant, tous les types de laitiers cristallisés sont utilisables sous forme de granulats.

L'utilisation des laitiers de haut-fourneau cristallisés est reconnue sous deux formes :

• en fraîche production : le laitier est refroidi à la sortie du haut-fourneau et subit un concassage dans la foulée ;
• après un passage en crassier : le laitier est stocké dans un crassier, équivalent d'un terril. Ce stockage peut entraîner une hétérogénéité du matériau notamment en cas de mauvais suivi des approvisionnements.

Dans les deux cas, on note l'utilisation de ces granulats :

• en graves non traitées (GNT)
• en graves traitées au laitier granulé (dites graves laitier tout laitier)
• en enrobés hydrocarbonés

La pratique des laitiers électriques est plus récente mais se substitue de plus en plus à la précédente du fait de la disparition progressive des hauts-fourneaux et de l'emploi, de plus en plus développé, du laitier de haut-fourneau granulé moulu soit comme composant du ciment, soit comme addition dans le béton en substitution du ciment. Il faut rester méfiant quant aux diverses appellations de laitiers: sous l'appellation de laitier électrique, on peut trouver des laitiers de poche (dans lesquels sont affinés les aciers pour donner les nuances voulues) qui contiennent une teneur non négligeable en métaux lourds. Toutefois, les contraintes règlementaire actuelles encadrant leur mise sur le marché garantissent leur inocuité sanitaire et environnementale.

On note l'utilisation de ces granulats :

• en graves non traitées (GNT)
• en graves traitées au laitier granulé (dites graves laitier tout laitier)
• en enrobés hydrocarbonés et en lit de pose en assainissement

L'usage des laitiers d'aciérie à convertisseur d'oxygène est encore d'ordre expérimental, et exclusivement en granulats non liés. En effet, il n'est pas rare de trouver des nodules de chaux ayant la possibilité de s'hydrater plus tard. Il en résulte un gonflement qui peut intervenir après la mise en œuvre de ce laitier, et qui provoque une détérioration de la chaussée.

Plusieurs méthodes sont utilisées pour s'affranchir du risque d'expansion volumique due à l'hydratation de la chaux :

• le vieillissement à l'air libre du matériau : le matériau est étalé à l'air libre et s'hydrate sous l'effet de la pluie ou par une humidification artificielle. Cette méthode exige des superficies considérables de stockages notamment, si pour optimiser cette méthode, on étale le matériau avec une épaisseur faible permettant le ruissellement de l'eau de la surface à la base du stock ;
• le vieillissement accéléré dans des autoclaves. Cette méthode exige des quantités d'énergies non négligeables mais est utilisée dans des pays pauvres en matériaux naturels (ex : Pays-Bas)
• la traçabilité des laitiers de la coulée à la transformation de ceux-ci en granulats. Certaines aciéries peuvent à travers les analyses chimiques qu'ils font sur les laitiers (en lien directement avec la qualité de l'acier produit) classer les matériaux en matériaux valorisables ou non comme granulats et développer un système de traçabilité.

Actuellement, peu d'usages en granulats sont autorisés par les bureaux de contrôle. Leur utilisation se fait encore beaucoup dans le cadre de chantiers expérimentaux.Par contre, cette même "richesse" en chaux qui freine leur usage en tant que granulats, favorise leur usage en tant que produit de traitement de sols en place ou en tant qu'activant dans des liants hydrauliques (prEN 13282-2).Cette pluralité d'usages possibles, selon la teneur en chaux, justifie de plus en plus la mise en place de ce suivi (traçabilité) au niveau de la production.

Utilisation comme engrais et pour amendement de sols

La minette lorraine, minerai de fer pauvre et contenant beaucoup de phosphore, générait une fonte qu'il fallait déphosphorer au convertisseur. Le laitier de convertisseur alors obtenu, riche en P₂O₅, est un excellent engrais. Si cette valorisation est encore faite avec les laitiers de convertisseur, l'abandon de la minette lorraine, rend cette filière moins attractive.

Matière première pour la fabrication du verre

La forte teneur en silice des laitiers en fait une matière première pour la fabrication du verre.

Cette utilisation est réservée aux laitiers granulés les plus purs, c'est-à-dire de haut-fourneau. Des précautions sont nécessaires pour éviter toute pollution (gravats, poussière,...) pendant le stockage ou le transport.

Production

La production française de granulats de laitier était, en France et pour 2005, de 2 080 000 tonnes, pour 51 847 000 euros, dans 10 entreprises.

La production actuelle (2009) montre une forte évolution des usages :

- diminution de l'usage des laitiers de haut-fourneau mieux valorisés en tant que liant ou composant de liant hydraulique,

- utilisation de plus en plus massive de laitiers d'aciérie

puisque, sur une production brute (pour 25 sites sidérurgiques français) de :

- 2,3 million de tonnes de laitier de haut-fourneau,

- 1,6 million de tonnes de laitiers d'aciérie (52% d'aciérie de conversion et 48% d'aciérie électrique)

les volumes employés en granulats représentent respectivement:

- 440,000 tonnes de laitier de haut-fourneau (19% de la production annuelle),

- 400,000 tonnes de laitier d'aciérie de conversion (46% de la production annuelle),

- 492,000 tonnes de laitiers d'aciéries électriques.

Ce développement de leur utilisation est, essentiellement du à:

- la professionnalisation des filières de valorisation avec la mise en place de plan d'assurance qualité,

- la prise en compte, récente, de la notion de développement durable (économie des ressources naturelles, minimisation des transports et de leur impact CO2, etc.)

Notes et références de l'article

1. ↑ (en)Blast furnace slag, steeluniversity.org. Consulté le 07 nov. 2010
2. ↑ (en)Steel industry by-products, 02/2010
3. ↑ (en)A. Frank, A. Madejb, V. Galganc & L. R. Petersson, « Vanadium poisoning of cattle with basic slag », mars 1996.

• le laitier de haut-fourneau (1988), de Alexandre J. et Sebileau J-L., éditions CTPL
• les scories LD (1976) in BLPC n°83, de Panis A.
• utilisation des scories LD en technique routière (1984) in Bulletin de l'Association Internationale de Géologie de l'Ingénieur, de Panis A.

Voir aussi

Articles connexes

• Oxyde
• Haut fourneau
• Ballast (chemin de fer)

Liens et documents externes

• site du Centre Technique de Promotion des Laitiers
• site du Laboratoire !central des Ponts et Chaussées