FR3127848A1 - Recyclage de résidus métallurgiques - Google Patents

Abstract

Recyclage de métal comprenant une fusion dans une cuve de four électrique à électrodes (3, 4) d’une matière à traiter comprenant des résidus métalliques à laquelle est additionnée de la chaux ou une source de chaux, une coulée d’un laitier (12) formé pendant la fusion de ladite matière à traiter par une voie d’évacuation (5) de liquide vers l’extérieur de la cuve et une récupération hors de la cuve d’un alliage ferrométallique produit (13). Le four comprend deux électrodes (3, 4) placées au-dessus de la matière en fusion et alimentées en courant continu, une ouverture dans la cuve de la voie d’évacuation (5) de liquide et les deux électrodes (3, 4) étant placées dans un plan vertical commun. Figure : 1

Description

Recyclage de résidus métallurgiques

L’invention s’inscrit dans le domaine des procédés de recyclage de résidus métallurgiques électrochimiques, comme des piles ou des accumulateurs, ou pétrochimiques, comme des catalyseurs.

On s’intéresse à des résidus contenant du fer, du nickel, du molybdène, du chrome, du tungstène, du cobalt, du manganèse, du cuivre, du zinc ou du lithium. Il est envisageable et connu de récupérer ces éléments sous forme d’un ferroalliage.

Sans chercher à être exhaustif, on identifie comme suit les résidus concernés, qui sont des coproduits, générés en quantités significatives, de processus industriels produisant des produits principaux demandés en permanence par l’économie moderne : les catalyseurs chimiques et pétrochimiques usagés, contenant les métaux nickel, molybdène, cobalt, tungstène, vanadium, cuivre sous forme d’oxydes ou de sulfures ou de chlorures ; les piles salines ou alcalines ou zinc-air portables usagées, contenant principalement les métaux fer, zinc et manganèse ; les poussières et boues d’élaboration des aciers ou de traitement de surface des aciers, contenant généralement les métaux fer, nickel, chrome, molybdène, cuivre, tungstène, cobalt et zinc ; les accumulateurs portables et de véhicules électrifiés usagés ou en déchets de production neufs contenant les métaux fer, nickel, cobalt, manganèse, cuivre, aluminium et lithium.

Le recyclage des résidus ainsi cités est connu sous des formes principalement de procédés pyrométallurgiques, c’est-à-dire utilisant la chaleur pour séparer les métaux.

On peut ainsi citer : le recyclage par le procédé Waelz de poussières et de boues d’aciéries impliquées dans la fabrication des aciers non alliés, riches en fer et en zinc- le procédé Waelz ne valorise néanmoins que le zinc ; le recyclage plus complet de ces poussières et boues au four électrique à arc alimenté en courant triphasé, comprenant trois électrodes de graphite, éventuellement précédé d’une étape de préchauffage-préréduction, et avec le cas échéant utilisation d’un four électrique mettant en œuvre des torches à plasma ; le recyclage toujours de poussières et de boues d’aciéries impliquées cette fois-ci dans la fabrication des aciers alliés et inoxydables, riches en nickel, chrome, manganèse et zinc, au four électrique à arc libre alimenté en courant triphasé, comportant 3 électrodes de graphite. Le courant triphasé est également utilisé le plus souvent avec un four à arc submergé. Il est aussi possible de procéder à un traitement en deux étapes, à savoir une réduction préalable dans un four à sole tournante ou à soles multiples, puis une fusion dans un four à alimentation électrique triphasée et à arc submergé ; le recyclage de piles alcalines et salines, riches en Fer, Manganèse et Zinc par broyage séparant les boîtes d’acier, puis traitement de la masse restante au four Waelz – mais celui-ci ne récupère que le Zinc, comme cela a déjà été dit ; le traitement direct de ces mêmes piles au four électrique triphasé, à arc libre ou submergé ; ou encore le recyclage de catalyseurs pétrochimiques du type Fer-Nickel-Molybdène au four électrique triphasé, à arc libre ou submergé.

Une comparaison de ces différentes solutions montre que le four électrique triphasé à arc libre offre une solution performante. Cela s’observe par le ratio de la puissance de fusion spécifique à savoir la puissance active en fusion rapportée à la surface du bain de métal. Ce ratio est de 1 à 2 MW/m2 pour le four électrique triphasé à arc libre contre 0,25 à 0,4 MW/m2 dans le cas d’un four triphasé à arc submergé.

Cependant le four électrique triphasé à arc libre a une limitation de productivité causée par l’inhomogénéité et la difficulté de décrassage du laitier, c’est-à-dire le coproduit de faible densité de la réaction de séparation, quand la matière à recycler est riche en gangue minérale ou que son traitement exige des apports importants de matières minérales comme la chaux ou la magnésie, ce qui est le cas des catalyseurs et des piles et accumulateurs visés, et donne lieu à une production de laitier importante, de 0,2 tonne à plus de 1 tonne de laitier par tonne de matière à traiter. Les catalyseurs usagés contiennent eux-mêmes une base importante (60% ou plus) d’alumine, qui doit être compensée par une mise équivalente de chaux ; les piles alcalines et salines contiennent peu de gangue, mais le laitier formé contient beaucoup d’oxyde de manganèse MnO, qui exige pour être valorisé ultérieurement des ajouts de chaux, de magnésie, éventuellement d’alumine et de silice.

De plus il y a dans tous les cas production de mousse du fait de la formation de gaz - monoxyde de carbone CO ou zinc métal sous forme de vapeur, ou encore oxydes de soufre SOx- par la réduction des espèces chimiques métalliques présentes. Ces quantités de laitier importantes et volumineuses imposent des arrêts fréquents pour le décrassage du four encrassé par le laitier.

Par ailleurs le laitier forme des accrétions qui bouchent les trous de coulée du métal et du laitier, même lorsque le laitier est coulé par une porte dédiée. Ces accrétions figent le laitier à sa surface libre par défaut de chauffe limitant ainsi la hauteur de laitier dans le four et donc la durée du cycle de fusion.

Les composants minéraux contenus dans les matières à traiter, catalyseurs ou piles, ou ajoutés pour ces dernières, sont principalement constitués par de l’alumine, de la silice, de la chaux, et de la magnésie. À la gangue minérale contenue (surtout dans les catalyseurs) sont ajoutées des matières d’addition telles que de la chaux et/ou de la castine (une pierre calcaire source de chaux), et/ou de la dolomie (une roche carbonatée source de magnésie) afin d’obtenir un rapport masse de chaux plus masse de magnésie sur masse d’alumine plus masse de silice strictement supérieur à 1,2 afin d’éviter ou de limiter la corrosion chimique des éléments réfractaires de la paroi du four. Ces ajouts augmentent encore la fraction minérale du mélange qui se retrouve finalement dans la quantité de laitier formé et accentuent la difficulté à le maintenir fluide et à le séparer de l’alliage métallique valorisable.

Dans la pratique actuelle, ceci conduit à des pertes de temps, ou à une consommation excessive d’énergie aux fins de surchauffer pour maintenir le laitier liquide, voire à des ajouts de composé à effet fondant comme le spath-fluor ou des composés sodiques pour faire fondre les accrétions. Or ces ajouts sont agressifs vis-à-vis des composants réfractaires de la paroi du four – d’où dans tous les cas, des pertes importantes de productivité et d’énergie. En outre la pratique des ajouts nuit à la durée de vie des éléments réfractaires de la paroi du four, et occasionne des arrêts de production importants pour leur réparation ou leur remplacement.

Par ailleurs si les accrétions ne sont pas maîtrisées, elles peuvent engendrer des casses d’électrodes particulièrement pénalisantes pour la marche des fours et le coût d’opération.

Par ailleurs, on connait du document EP1983066_A1 un procédé de traitement de catalyseurs usés, utilisant un pied de bain de fonte, un ajout de chaux, et un brassage par injection de gaz dans un four électrique à arc procédant à la fusion des catalyseurs. De l’oxyde de fer et du dioxygène gazeux permettent la diminution du taux de phosphore dans le produit de la réaction. Pour favoriser la réaction, de la castine et de la magnésie qui sont des produits de formation du laitier sont ajoutés, et le laitier est coulé à plusieurs reprises de manière intermédiaire avant la coulée de l’alliage. L’injection de gaz est particulièrement vigoureuse pour permettre la fusion des catalyseurs. Le pied de bain peut être à 1550°C et le four peut être un four de 3MVA à arc libre. Ce procédé, bien qu’intéressant, ne résout pas la difficulté qui apparait quand la grande quantité de laitier amène à surchauffer et à consommer de trop grandes quantités d’énergie, ou à interrompre le processus très souvent pour couler le laitier.

L’invention a en conséquence pour objet de permettre de traiter dans un four électrique à arc libre les résidus métallurgiques cités ci-dessus, sans que les quantités de laitier produites constituent une gêne pour le processus. De manière générale, on s’intéresse à des résidus métalliques associés à des oxydes peu ou très peu réductibles, donnant lieu à la formation d’un laitier, d’oxyde d’aluminium ou d’oxyde de manganèse notamment, et qui peut nécessiter des ajouts pour être fusible.

Ce problème est surmonté grâce à une installation et un procédé de four électrique définis comme suit : le procédé de recyclage de métal comprend une fusion dans une cuve de four électrique à électrodes d’une matière à traiter comprenant des résidus métalliques et des oxydes peu réductibles à laquelle est additionnée de la chaux ou une source de chaux, et est addition également éventuellement de l’oxyde de fer, une coulée par une voie d’évacuation de liquide vers l’extérieur de la cuve d’un laitier formé pendant la fusion et une récupération hors de la cuve d’un alliage ferrométallique produit aussi pendant la fusion. Il s’agit là de principes connus, qui permettent de séparer d’une part les métaux dont les oxydes sont réductibles, et qu’on isole sous la forme d’un ferroalliage, et d’autre part les métaux dont les oxydes sont beaucoup moins réductibles, qui restent dans un laitier sous forme d’oxyde, le laitier étant éventuellement, si nécessaire, rendu fusible par l’ajout de chaux ou de castine.

De manière remarquable, le procédé comprend l’alimentation en courant continu par deux électrodes de four placées au-dessus de la matière en fusion. Et pour tirer profit de cette alimentation en courant continu qui ne mobilise que deux électrodes, une ouverture dans la cuve pour l’évacuation de liquide pour ladite coulée, et les extrémités des deux électrodes pour l’alimentation en courant continu sont placées dans un plan vertical commun.

Grâce à ces caractéristiques, qui définissent des dispositions particulières et originales du mode d’apport de l’énergie électrique, du chargement des matières et des sorties de métal et de laitier, et la position des arcs, on obtient une gestion simplifiée du bain liquide. En effet, on garde un laitier fluide en face de ces orifices de coulée, et on rend ainsi plus faciles et plus rapides les opérations de coulée du métal et du laitier. On est alors en mesure de minimiser les ajouts de fondant, nuisibles à la durée de vie des éléments réfractaires des parois du four, et de maintenir à un niveau modéré les apports énergétiques, en chauffant moins ou moins longtemps.

Le procédé est appliqué au recyclage des catalyseurs ou encore des piles, usagés, pour récupérer sous forme de ferroalliage le molybdène, le cobalt, le nickel, le chrome, le tungstène, ou le manganèse, et séparer ceux-ci d’un laitier de chaux, silice, alumine et éventuellement d’oxyde de manganèse (qui dans ce cas est valorisable utilement, notamment si l’oxyde de manganèse est mélangé avec de la chaux), dans le cas des piles. Le procédé a son intérêt notamment quand le laitier est particulièrement abondant, et permet de minimiser au maximum l’énergie électrique utilisée en ne chauffant qu’au strict minimum, c’est-à-dire peu au-dessus de la température de fusion de l’alliage récupéré, donc au-dessus de 1300° et en tout cas à moins de 1600°.

Selon des caractéristiques avantageuses et optionnelles :

Un point de chute dans la matière en fusion de la matière à traiter peut être placé dans le plan vertical commun de l’ouverture dans la cuve de la voie d’évacuation de liquide et des extrémités ; On envisage un four de type DC2 (c’est à dire. à courant continu avec 2 électrodes de graphite) de 2,5m de diamètre, avec une distance entre l’électrode la plus proche du trou de coulée de laitier, et le trou de coulée de laitier de 70 cm environ. Globalement, on souhaite que les deux électrodes, le point de chute de la matière à traiter, le trou de coulée de laitier et le chenal d’évacuation du métal soient placés dans un plan. Il est précisé que la matière à recycler ne tombe pas à la verticale et que donc ce n’est pas son point d’introduction mais son point de chute qui doit être dans le plan indiqué. Le fait de disposer des deux électrodes, du point de chute et du trou de coulée de laitier, voire du chenal d’évacuation de métal dans un même plan permet de diriger la chaleur issue des arcs créés par les électrodes dans les zones nécessitant d’être chauffées en priorité, à savoir l’entrée du trou de coulée du laitier, la zone de mélange au point de chute, et l’entrée du chenal d’évacuation du métal.

Le procédé peut comprendre de plus un brassage de la matière en fusion par injection de gaz depuis une paroi de fond de la cuve.

On limite ainsi les accrétions de matières à la paroi du bain et on limite fortement les casses d’électrodes.

Le procédé peut comprendre de plus un chargement progressif de la matière à traiter dans la cuve et plusieurs évacuations du laitier successives, séparées par des phases de fusion, avant une évacuation d’alliage ferrométallique produit.

Le procédé peut comprendre de plus une capture de poussières volatiles s’échappant au-dessus de la matière en fusion et leur réintroduction dans la cuve pendant la fusion.

La coulée de laitier et la récupération hors de la cuve d’alliage peuvent être effectuées en basculant la cuve respectivement d’un premier côté et d’un deuxième côté opposé au premier côté.

La cuve peut être une cuve à berceau à crémaillère actionné par un vérin.

À l’issue de la récupération hors de la cuve de l’alliage ferrométallique produit, un pied de bain d’alliage ferrométallique produit peut être conservé dans la cuve et une matière à traiter comprenant des résidus métalliques est à nouveau introduite pour poursuivre le traitement.

La matière à traiter peut être constituée de catalyseurs usagés bruts et est additionnée, pour la fusion, de matières minérales, dont de la chaux. Elle peut être aussi constituée de piles ou d’accumulateurs usagés.

Avant la récupération hors de la cuve d’alliage ferrométallique produit et après une coulée du laitier formé pendant la fusion, un traitement de la matière en fusion par des agents chimiques de désulfuration ou de déphosphoration peut être effectué dans la cuve.

La matière à traiter peut comprendre au moins du nickel, du molybdène, du fer ou du zinc.

De la chaux, de la castine ou de la dolomie peuvent être ajoutées à la matière à traiter afin d’obtenir dans la matière en fusion un rapport masse de chaux plus masse de magnésie sur masse d’alumine plus masse de silice strictement supérieur à 1,2.

L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d’exemple illustrant plusieurs modes de réalisation de l’invention et dans lequel :

La est une vue schématique d’un four selon l’invention, vu de côté.

La est un schéma représentant les étapes de l’invention.

La est une vue schématique d’un four selon l’invention, vu du dessus.

L’installation comprend un four électrique 1, disposant d’une ouverture de chargement 2 dans la voute, de deux électrodes verticales 3 et 4 montées dans la voute, d’une porte de coulée 5 destinée au laitier, d’un chenal de coulée 6 destiné à l’alliage métallique produit, et de deux conduites d'arrivée de gaz de brassage 9 en fond de sole. Le four 1 peut notamment être équipé de deux orifices d’injection de gaz de brassage à travers la sole du four.

La sole ou paroi inférieure du four 7 est référencée sur la figure, ainsi que l’azote de brassage 8 sortant des conduites d’arrivée de gaz de brassage 9, ce gaz brassant le bain de matière et en particulier le laitier 12 et le métal 13 qui se séparent l’un de l’autre au cours de la fusion. L’azote peut être remplacé par de l’argon, ou un autre gaz neutre ou un mélange gazeux neutre ou peu réactif.

Le four électrique est équipé de moyens de basculement à gauche 10 et de moyens de basculement à droite 11, sous forme d’un vérin vertical s’appuyant sur le sol, par exemple.

Les deux électrodes forment deux arcs électriques 14. Les arcs sont libres (à l’extérieur de la matière, dans l’air) et on a une transmission de chaleur par rayonnement, grâce à la présence d’un jet de gaz à très haute température qui rayonne vers la matière à fondre.

Le chargement de la matière à traiter et des réactifs est effectué entre les deux électrodes 3 et 4. Les deux arcs 14 se positionnent de plus vers les orifices de coulée du métal et du laitier, respectivement 5 et 6.

Le four est un four à courant continu et les deux électrodes 3 et 4 sont des électrodes de graphite.

Lors de la fabrication d’un ferroalliage carburé à partir des déchets évoqués ci-dessus, la température de fusion du ferroalliage carburé est de l’ordre de 1250-1350°C, et il est donc raisonnable de ne chauffer que jusqu’à juste au-dessus de cette température, pour économiser l’énergie utilisée.

De plus, du fait de la grande proportion, dans la matière traitée, de matière minérale générant du laitier, ou d’éléments comme le manganèse laissant dans le laitier un oxyde peu fusible, le laitier résultant peut s’accumuler et former des accrétions.

Aux températures proches de la température de fusion du laitier, celui-ci devient pâteux et tend à former des accrétions.

Le procédé de fusion suit un cycle commençant avec un pied de bain de métal ayant une composition proche de celle du ferroalliage carburé que l’on prévoit de produire – ce pied de bain étant porté à 1450-1500°C.

En partant de ce pied de bain qui représente d’un quart à un tiers de la capacité de métal de la cuve du four, la puissance électrique est appliquée et les déchets à traiter sont chargés en continu - en vrac avec une granulométrie de 2 à 150 mm ou sous forme d’agglomérés - boulettes, briquettes ou extrudats. La fusion se produit et la matière s’accumule dans le four, en se partageant entre métal et laitier.

Cette phase de fusion continue est arrêtée lorsque le laitier atteint une hauteur limite au-delà de laquelle il n’est plus chauffé efficacement par les arcs, et on procède à un décrassage du laitier, en le basculant du côté de la porte de coulée 5. Le laitier 12 est ainsi vidé hors du four. Le métal fondu est par contre laissé en place, et la phase de fusion est reprise.

Cette séquence de réduction-fusion des déchets continue, entrecoupée de décrassage(s) du laitier, est répétée jusqu’à ce que la hauteur du métal atteigne elle-même une limite qui est la capacité en métal de la cuve du four. Alors on procède à la coulée du laitier par la porte de coulée pour laitier 5 et ensuite cette fois-ci également du métal par le chenal de coulée pour métal 6. La coulée du métal est limitée à deux tiers de la capacité de métal du four, le tiers restant étant conservé dans le four et constituant le pied de bain permettant de recommencer un cycle de fusion dans de bonnes conditions.

On reprend donc ensuite le processus comme ci-dessus, par ajout continu de matière à traiter.

Le chargement central des matières est effectué en voûte du four, de sorte à ce que les matières tombent au milieu de l’axe reliant les deux électrodes. L’orifice de chargement des matières est situé de sorte que les matières tombent dans le laitier entre les deux arcs.

Les deux arcs 14, très stables du fait de l’amenée de courant en mode courant continu, sont naturellement orientés vers les deux orifices de coulée 5 et 6, et se repoussent en vertu de la loi électromagnétique de Lenz-Faraday.

Les éléments de brassage du bain métal-laitier constitués de tuyères ou des briques poreuses placées en fond de sole, peuvent être au nombre de un, deux ou plus. Leur nombre est à définir en fonction de la taille du four : un seul pour un petit four, jusqu’à cinq pour un four de quelques dizaines de tonnes. Toute la surface d’échange métal-laitier doit être bien brassée, pour assurer les réactions de réduction-fusion et contribuer à l’homogénéité du laitier.

La présente invention est bien illustrée par une description plus détaillée du traitement de catalyseurs industriels usagés bruts, c’est à dire non préalablement grillés, ce qui aurait eu pour effet d’en réduire les teneurs en hydrocarbures et soufre. Dans ce cas, mais dans d’autres cas également, la production et la gestion du laitier sont particulièrement critiques en raison de la quantité importante de laitier produite.

Le procédé débute avec un four rempli à un tiers de sa capacité de contenance de métal fondu dans la cuve, par un ferroalliage de nickel et de molybdène, et éventuellement de cobalt FeNiMo(Co), constituant un réactif de départ R1 qualifié de pied de bain de métal.

Celui-ci est chauffé par le four électrique, et est sous forme liquide.

Un réactif R2 est ensuite introduit progressivement en chargement continu dans la cuve du four. Il s’agit de la matière à traiter, qui est dans le cas évoqué ici constituée par des catalyseurs industriels usagés, mélangée dès son introduction avec de la chaux et de l’oxyde de fer. Le détail de la composition du réactif R2 est indiqué ci-après.

Les catalyseurs usagés bruts sont constitués d’alumine Al2O3 à hauteur de l’ordre de 60%, dans laquelle sont piégés environ 2% en masse de nickel et 8% en masse de molybdène sous forme de sulfures, à hauteur de près de 10% de soufre en masse, ainsi que des polluants hydrocarbonés, à hauteur d’environ 10% de carbone en masse, et environ 5 % d’hydrocarbures en masse.

Les catalyseurs sont sous forme de bâtonnets d'alumine poreuse dans laquelle sont piégés du Nickel et du Molybdène. L'alumine Al2O3 est un oxyde réfractaire, qui ne fond qu'à haute température (plus de 2000°C), mais en lui ajoutant une quantité équivalente de chaux (CaO), le mélange à 50/50 fond vers 1450°C. L'alumine comme la chaux sont des oxydes réfractaires (c’est-à-dire à haute température de fusion) et non réductibles, c’est à dire qu'il est très difficile de dissocier l’aluminium de l'oxygène dans l'oxyde Al2O3 - à l'inverse par exemple de l'oxyde de fer Fe2O3 qui est facilement réduit en fer métal, avec du carbone, par la réaction Fe2O3 + 3 C -> 2 Fe (métal) + 3 CO (gaz).

Ces catalyseurs usagés bruts sont fondus dans la cuve avec deux ajouts principaux inclus dans le réactif R2, à savoir environ 300 kg d’oxyde de fer par tonne de catalyseur à traiter, pour récupérer le nickel et le molybdène dans un ferroalliage carburé FeNiMoC, et environ 600 kg de chaux CaO pour former un laitier CaO-Al2O3 fusible à 1500°C, permettant l’extraction de la majorité du soufre présent dans la matière à traiter. Le total des composants ainsi indiqué et formant le réactif R2 est de 190 %, rapporté à la quantité de catalyseurs à traiter.

Comme indiqué, sur la , les catalyseurs usagés bruts, l’oxyde de fer et la chaux forment le réactif R2.

La phase de fusion proprement dite, notée E1, est menée ensuite, avec chargement continu des catalyseurs à traiter et des réactifs de traitement indiqués, à savoir l’oxyde de fer et la chaux.

Cette phase est quasi-continue, mais elle doit être interrompue à chaque fois que la hauteur de laitier atteint un niveau critique, à partir duquel le laitier n’est plus homogène, et se met à figer soit à la paroi du four, soit en face du trou ou de la porte de décrassage dédiée à la sortie du laitier du four. On fait alors couler la plus grande partie de ce laitier, constituant un produit P1, puis on continue le chargement du réactif R1 et la fusion E1.

Des poussières riches en molybdène se dégagent et constituent un produit P3. Elles sont recyclées au cours d’un processus de recyclage E3, par exemple par extraction dans un circuit de postcombustion (combustion des impuretés) des fumées et filtration de ces fumées. Les poussières riches en molybdène P3 sont ré-introduites à l’issue du processus de recyclage E3 dans le réactif R2.

Lorsque le métal atteint la capacité de métal de la cuve du four, on procède à un affinage E2 par des ajouts de réactifs R3 qui sont des agents de désulfuration et de déphosphoration, pour ajuster les teneurs du ferroalliage en soufre et phosphore, qui constituent des impuretés ; puis on coule l’alliage métallique formé, qui constitue un produit P2, en conservant un pied de bain d’un tiers de la capacité de cuve, qui constitue un produit P4, et on peut commencer la phase suivante, le produit P4 constituant le réactif R1 indiqué précédemment.

Le bilan global de la fusion s’écrit 1 tonne de catalyseurs usagés bruts plus 300 kg d’oxyde de fer plus 600 kg de chaux, donnent 280 kg de ferroalliage plus 1,3 tonne de laitier. Le ferroalliage comprend du molybdène et du nickel, et éventuellement du cobalt.

On obtient donc 4 à 5 fois plus en masse de laitier que de métal, et comme les densités sont de 7 pour le métal et de 2 environ pour le laitier, on forme en volume près de 15 fois plus de laitier que de métal.

Pour préciser et chiffrer l’importance de la maîtrise de la température du laitier, on prend l’exemple d’un four de 20 tonnes, dont la cuve a un diamètre intérieur de 2,5 mètres, soit une surface du bain d’environ 5 m².

Ce four est chargé à un ratio de 6 tonnes par heure de catalyseurs, ainsi que d’oxyde Fe et de chaux en surplus. Il se forme 1,68 tonne de métal et 7,8 tonnes de laitier par heure de fusion, soit 5 cm de métal et environ 78 cm de laitier.

Si la température du laitier est maîtrisée, surtout au trou de coulée laitier, on peut travailler et chauffer avec des arcs électriques 14 stables jusqu’à 40 cm de hauteur de laitier. Ceci implique qu’il faut couler le laitier toutes les 30 minutes pour décrasser le four – et dans ce cas maîtrisé, une coulée prend environ 5 minutes.

Dans un cas non maîtrisé, c’est à dire avec des accrétions de laitier aux parois et/ou au trou de coulée, on doit procéder à une surchauffe de l’ensemble métal et laitier, soit une masse de 10 à 22 tonnes à surchauffer de 50°C, soit une dépense d’énergie de 150 à 300 kWh à chaque surchauffe, et une perte de temps de production supplémentaire de 5 à 10 min, en comptant les temps d’observation et de redémarrage.

Sur un cycle complet, on atteint la hauteur de métal maximale, soit 20 tonnes de métal au bout de 7,5 heures, soit 12,6 tonnes de métal produit s’ajoutant aux 7 tonnes de pied de bain, après 15 coulées du laitier – une à chaque ½ heure. L’apport du maintien d’une température de laitier modérée et d’une surchauffe limitée au trou de coulée – ce que permet la configuration de four proposée – est d’éviter de perdre 15 fois 5 à 10 min soit 75 à 150 minutes, et de consommer 15 fois 300 kWh soit 4,5 MWh d’énergie électrique par séquence ou cycle de fusion.

Un cycle de fusion comprend 7,5 h de fusion et 75 min de coulée de laitier, 1h15 pour l’affinage et la coulée du métal, soit un total de 10 h. La perte de 5 à 10 minutes pour chaque coulée représente donc un allongement du cycle de 75 à 150 minutes rapportées à 600 minutes, soit 12,5 à 25% de perte de temps de production.

Cet avantage industriel se retrouve dans le cas de la fusion de piles alcalines (zinc-dioxyde de manganèse), salines (ou piles sèches, ou piles Leclanché) et zinc-air (rechargeables ou non rechargeables), d’accumulateurs ou d’autres déchets dont la fusion produit beaucoup de laitier. Ces piles contiennent beaucoup de fer et de zinc, tous deux réductibles, et également de l’oxyde de manganèse sous forme MnO2 ou MnO. Or cet oxyde de manganèse est réfractaire (il ne fond qu’à haute température) et n’est de plus pas totalement réductible. On n’ajoute pas d’oxyde de fer, mais on fait des ajouts de chaux, de castine ou de dolomie pour rendre le laitier fusible. Une part importante, aux alentours de 20%, du manganèse reste sous forme d'oxyde MnO, dans le laitier. On sait revendre ce laitier riche en Mn, notamment parce qu’il contient de la chaux, aux sociétés utilisant du minerai de manganèse. L’ajout de chaux participe ainsi non seulement à rendre le laitier fusible, mais en plus à le rendre valorisable du fait de la présence de chaux dans l’oxyde de manganèse. On récupère donc le manganèse dans le laitier, et le fer et le zinc et une partie du manganèse dans le ferroalliage.

La est une vue de dessus du four. On reconnait les électrodes 3 et 4, ainsi que la porte de coulée du laitier 5 et le chenal de coulée du métal 6. Le laitier 12 est visible au-dessus de l’alliage métallique, qui occupe le fond de la cuve. Un conduit de fumée 16 est présent dans la voute, et débouche au-dessus du laitier par un orifice 16a. La cuve a un diamètre intérieur de 2,5 mètres, et la distance entre la porte de coulée du laitier 5 et l’électrode la plus proche de celle-ci, à savoir l’électrode 4 est de l’ordre de 70 cm.

On a représenté sur la figure le plan P vertical dans lequel se situent à la fois les extrémités 3a et 4a des électrodes et la porte de coulée du laitier 5, ainsi que, avantageusement, le point de contact 2a dans le laitier de la matière à traiter, solide, qui chute depuis l’ouverture de chargement 2. Dans le plan P se situe aussi le chenal d’écoulement du métal 6, mais cela n’est pas aussi indispensable. Grâce à la focalisation de l’énergie dans ce plan, le laitier est particulièrement fluide à proximité de la porte de coulée du laitier 5, ce qui permet de mener les décrassages sans dépense d’énergie excessive, ni perte de temps.

Les extrémités des électrodes 3a et 4a ne sont pas nécessairement à la même hauteur au-dessus de la surface du laitier (autrement dit la même altitude), mais il est avantageux qu’elles le soient, car la construction du dispositif et le contrôle du processus sont alors plus simples.

Associer en proximité l'orifice de coulée du laitier et l'une des électrodes de courant continu permet de chauffer la matière intensément spécifiquement dans la zone de coulée. Le reste du laitier peut rester pâteux, mais la zone proche de l'orifice est liquide.

Le mode de réalisation pour l’extraction du laitier qui est préféré est le basculement de la cuve du four avec passage du laitier par surverse sur la limite de la cuve. Alternativement à ce système de basculement et de surverse, on peut avoir une sortie par surverse sans basculement. Comme dernière alternative, on peut également avoir l’utilisation d’une porte submergée (aussi appelée trou de coulée) qu’on ouvre et qu’on ferme successivement voire périodiquement.

Claims (10)

1. Procédé de recyclage de métal comprenant une fusion (E1) dans une cuve de four électrique à électrodes (3, 4) d’une matière à traiter (R2) comprenant des résidus métalliques à laquelle est additionnée de la chaux ou une source de chaux, une coulée par une voie d’évacuation de liquide (5) vers l’extérieur de la cuve d’un laitier (12, P1) formé pendant la fusion (E1) et une récupération hors de la cuve d’un alliage ferrométallique produit (13, P2) aussi pendant la fusion (E1),caractérisé en ce quele procédé comprend l’alimentation en courant continu de deux électrodes (3, 4) du four placées au-dessus de la matière en fusion (12, 13), une ouverture dans la cuve de la voie d’évacuation de liquide (5) pour ladite coulée et les extrémités (3a, 4a) des deux électrodes (3, 4) pour l’alimentation en courant continu étant placées dans un plan vertical commun (P).
2. Procédé de recyclage de métal selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un point de chute (2a) dans la matière en fusion de la matière à traiter est placé dans le plan commun (P) de l’ouverture dans la cuve de la voie d’évacuation de liquide (5) et des extrémités (3a, 4a) des deux électrodes (3, 4).
3. Procédé de recyclage de métal selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu’il comprend de plus un brassage de la matière en fusion (12, 13) par injection de gaz au travers de la paroi de fond de la cuve.
4. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend un chargement progressif de la matière à traiter (R2) dans la cuve et plusieurs évacuations du laitier (P1) successives, séparées par des phases de fusion, avant une évacuation d’alliage ferrométallique produit (P2).
5. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la coulée de laitier (P1) et la récupération hors de la cuve d’alliage (P2) sont effectuées en basculant la cuve respectivement d’un premier côté et d’un deuxième côté opposé au premier côté.
6. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’à l’issue de la récupération hors de la cuve de l’alliage ferrométallique produit (P2), un pied de bain d’alliage ferrométallique produit (P4) est conservé dans la cuve et une matière à traiter (R2) comprenant des résidus métalliques est à nouveau introduite pour poursuivre le traitement.
7. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce la matière à traiter (R2) comprend au moins du nickel du molybdène, du fer ou du zinc.
8. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que de la chaux, de la castine ou de la dolomie sont ajoutées à la matière à traiter (R2) afin d’obtenir dans la matière en fusion (12, 13) un rapport masse de chaux plus masse de magnésie sur masse d’alumine plus masse de silice strictement supérieur à 1,2.
9. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matière à traiter (R2) est constituée de catalyseurs usagés bruts.
10. Procédé de recyclage de métal selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la matière à traiter (R2) est constituée de piles ou d’accumulateurs usagés.