Le laitier correspond aux scories qui sont formées en cours de fusion ou d'élaboration du métal par voie liquide. Il s'agit d'un mélange composé essentiellement de silicates, d'aluminates et de chaux, avec divers oxydes métalliques, à l'exception des oxydes de fer. Ses rôles dans la métallurgie des métaux ferreux en fusion sont multiples.
Cette matière est un important coproduit des hauts fourneaux, appréciée comme remblai ou comme matière première dans la fabrication du ciment. Quant aux laitiers d'aciérie, si les scories Thomas étaient également un débouché essentiel de la sidérurgie au début du , la valorisation des laitiers modernes passe après l'optimisation des procédés métallurgiques de la sidérurgie.
Définition Éléments étymologiques D'après Le Petit Robert, le terme est employé en métallurgie depuis au moins 1676. Son étymologie ramène immédiatement au mot « lait ». En effet, lorsqu'elles sont complètement exemptes de fer, les scories issues d'un haut fourneau ont une blancheur et un aspect qui rappelle le lait en ébullition. C'est un mot du métier :
Laitier, terme de fondeurs traduisant bien dans sa métaphore spontanée la blancheur éclatante des scories qui surnagent dans le bain de fonte en fusion, alors que les ouvrages savants employaient plutôt « scories » ou « crasses » cité par Corbion dans
Acception moderne Le laitier est le nom que l'on donne aux scories métallurgiques issues de la métallurgie du fer et de ses composés :
On appelle « laitiers » les scories exemptes de fer dans la métallurgie du fer et des ferroalliages, réservant le terme de scories aux scories ferrugineuses de la métallurgie des métaux non ferreux. On appelle aussi scories les sels fondus provenant par exemple de la réduction électrolytique d'halogénures.
Pour les hauts fourneaux, . Le débat sémantique est identique pour les laitiers issus des convertisseurs Thomas : ces laitiers devaient être les plus riches possible en phosphore pour justifier leur emploi comme engrais. Par contre, pour les autres laitiers d'aciérie, leur valorisation est rarement rentable : il s'agit de sous-produits sans intérêt économique.
Obtention
Le laitier apparaît lors de l'élaboration des métaux sous forme liquide. Sa faible densité (2,4) le fait flotter au-dessus du métal en fusion (densité de l'acier à 20 °C: 7,85). Le métal s'en sépare facilement car le laitier est un composé ionique, non miscible avec le métal en fusion.
Laitier de haut fourneau
C'est un coproduit issu de la fabrication de la fonte dans un haut fourneau, où il correspond à la gangue stérile du minerai de fer à laquelle s'ajoutent les cendres du coke. La quantité de laitier produite correspond directement à la richesse du minerai de fer utilisé. Pour un haut fourneau moderne fonctionnant avec des minerais riches en fer, on atteint généralement une proportion de laitier pour de fonte produite. Des chiffres extrêmes sont possibles : pour un haut fourneau consommant du charbon de bois, pour des minerais pauvres et un combustible bon marché. Ce dernier chiffre était classique au … mais la teneur en fer du laitier dépassait 5%.
Pour le sidérurgiste, le laitier de fonte permet le contrôle de la composition de la fonte (notamment en ôtant le soufre, élément indésirable, mais aussi les alcalins, qui perturbent la marche du haut fourneau) et la maîtrise de l'usure des réfractaires.
Cependant, du point de vue thermique, le laitier est un stérile à fondre, même si son enthalpie de fusion, d'environ de laitier ne correspond qu'à 3,5 % du bilan énergétique du haut fourneau, sa valeur, quoique non négligeable, est bien moins intéressante que celle de la fonte. Les minerais de fer pauvres, comme la minette lorraine, induisant une plus grande consommation de coke au haut fourneau ont été ainsi abandonnés, puisque la quantité de matière à chauffer dans le haut fourneau est plus importante. En effet, même pour un haut fourneau fonctionnant avec des minerais riches en fer, le volume de laitier est identique à celui de la fonte produite (à cause de la différence de densité), le prix de vente du laitier granulé intervient dans moins de 5 % du coût de production de la fonte.
Le laitier de haut fourneau, de composition chimique très stable et étant lui-même un liant hydraulique latent, est souvent valorisé dans la fabrication de ciment (BFS-OPC), un ciment sidérurgique actuellement dénommé CEM III suivant la norme européenne EN 197 définissant les différents types de ciments ou, plus occasionnellement, dans la fabrication de verre : il est alors granulé ou bouleté sous forme de sable. Ce sable est obtenu par refroidissement brutal au contact avec de l'eau de manière à le fracturer et à le vitrifier. Le laitier peut également être coulé en fosse, où il cristallise et craquelle après un refroidissement lent : il est alors destiné aux travaux publics (ballast, enrobé bitumineux...). S'il satisfait à de sévères conditions qualité, il peut aussi entrer dans la fabrication de laine de verre
Compositions typiques de laitiers de fonte (en % du poids) Type de laitier FeO / MnO CaO MgO S Haut fourneau (fonte hématite) 0,16 -0,2 < 1 34 - 36 10 - 12 38 - 41 7 - 10 1 1 - 1,5 Cubilot (four à fusion) 0,5 - 2,5 1 - 2 25 - 30 5 - 15 45 - 55 1 - 2
Laitier d'aciérie Laitier de métallurgie primaire (ou laitier noir) Dans une aciérie, le laitier vient à la fois des convertisseurs, où celui-ci est très oxydé, de la métallurgie en poche ou des fours électriques. Pour une tonne d'acier produite, on compte de de laitier d'aciérie produits, quelle que soit la filière (haut fourneau – convertisseur ou fusion de ferrailles) .
Le laitier de convertisseur (ou laitier noir) est produit par l'oxydation des éléments indésirables (comme le silicium, le soufre et le phosphore). Cependant, l'oxydation de certains métaux (comme le fer et le manganèse) est inévitable à cause de la nature même du procédé (injection de pour oxyder les carbures contenus dans la fonte). Ces oxydes métalliques (FeO, , ) de couleur noire sont dilués dans des matières destinées à donner au laitier un caractère plus ou moins basique (laitier fluide), ou acide (laitier visqueux) Ces matières sont généralement basiques, comme la chaux magnésienne (MgO) ou le .
Compositions typiques de laitiers de métallurgie primaire (en % du poids, en fin d'affinage) Type de laitier FeO / Fe2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO MgO P2O5 S Bessemer original 15 7 75 3 0 Procédé Thomas original 17 9 15 37 10 12 0,5 Thomas amélioré 10 3 7 2 52 5 20 0,3 Convertisseur type OLP 12 4 7 57 20 Convertisseur type LD 20 7 13 48 2 Four à arc électrique 32 5 15 5 34 9 Four à arc électrique avec traitement OLP 20 - 30 7 50 1 - 2,5
Laitier de métallurgie secondaire (ou laitier blanc) Le rôle du laitier de métallurgie secondaire (ou laitier blanc) est aussi variable que complexe. 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. Par exemple, une haute teneur en chaux et en fluor va favoriser la captation des inclusions d'alumine, qui sont acides. Cependant, ce laitier doit aussi ménager les briques réfractaires… le réglage des laitiers d'aciérie est donc un compromis.
Par ailleurs, certains oxydes du laitier, comme le FeO, peuvent oxyder les additions d'alliage comme le ferrotitane, l'aluminium, le ferrobore… Dans ce cas, ces éléments d'alliages sont consommés avant d'atteindre le métal liquide : leur oxydation est donc un gaspillage. Une quantité de laitier trop importante, ou une oxydation du laitier mal maîtrisée est dans ce cas rédhibitoire.
En métallurgie en poche ou métallurgie secondaire, les outils liés au traitement du laitier consistent généralement en un « râteau » 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 les rend inaptes à l'utilisation en remblai mais leur recyclage en interne dans l'aciérie est économiquement intéressant.
Compositions typiques de laitiers de métallurgie secondaire (en % du poids, en fin d'affinage) Type de laitier FeO / MnO CaO MgO S Acier calmé à l'aluminium(laitier désulfurant) 0 0 10 35 45 10 0,1
Flux ou laitier de soudage On appelle laitier la croûte qui se forme sur le bain de la soudure lorsque l'on utilise un flux (enrobage de baguette, poudre ou granulés). Il protège ce bain de l'oxygène de l'air, et l'isole thermiquement. Il participe aussi à la composition chimique du bain de fusion, apport de d'élément chimique ou retrait (exemple éliminer le soufre).
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 : basique (riche en chaux), dont la mise en œuvre est difficile mais qui assure une excellente résistance mécanique, ou acide (riche en silice), à l'utilisation plus facile.
Caractéristiques
Les flux sont produits à l'aide de différentes technologies :
en faisant fondre le mélange sec dans un four - il y est fondu à une température de puis refroidi avec des blocs de glace ou coulé dans de l'eau courante ; ce procédé limite l'absorption de l'humidité et leur forme et leur caractère chimique sont plus permanents lorsqu'ils sont recyclés ; cependant, les éléments et les composés d'alliages sont difficiles à fournir pendant la production ;
en associant le mélange de poudre à un liant - le mélange de poudre sèche est combiné avec un liant approprié: soit du silicate de potassium, soit du silicate de sodium ( verre liquide ), ou les deux, puis il est granulé avec une presse et séché à une température d'environ ; les additifs et alliages oxydants sont facilement ajoutés au flux ; ils peuvent être teints et utilisés en couches plus épaisses ; l'inconvénient est une sensibilité accrue au mouillage ;
flux agglomérés – ils sont produits sous forme de poudre, mais avec un liant céramique ; une température de production élevée empêche la possibilité d'ajouter des éléments désoxydants et alliés ; ils ont une sensibilité accrue au mouillage ;
flux frittés – le mélange de poudres est assemblé par recuit à une température de .
Selon le degré de basicité, les flux sont divisés en acides ( SiO2, P2O5 ), neutres ( Al2O3, B2O3, Cr2O3 ), basiques ( CaO, MgO, FeO, MnO, CrO, NiO, Na2O, K2O ). En Tchèquie, la composition chimique des flux est définie dans ČSN FR 760 en fonction du contenu des composants individuels.
La basicité du flux peut être estimée à partir du calcul selon l'indice de BoniszewskiDr Tad Boniszewski – Indice de basicité de Boniszewski.:
Les composants individuels sont entrés dans l’équation sous forme de pourcentage massique.
Échelle de basicité : – flux acides – flux neutres – flux basiques – grande basicité
Physico-chimie + Basicité optique (Λ)d'oxydes de laitiers1,15CaO1,0MgO0,780,670,610,61MnO0,590,55FeO0,510,480,48
Lorsqu'il est en fusion, le laitier est une solution d'oxydes. Les plus fréquents sont le FeO, le , le , l', le CaO, le MgO. Quelques sulfures peuvent y être aussi présents, mais la présence de chaux et d'alumine diminue leur solubilité.
La géométrie moléculaire d'un laitier en fusion peut être distinguée selon trois groupes d'oxydes : acide, basique et neutre. Les oxydes acides les plus fréquents sont la silice et l'alumine. Lorsque ces oxydes sont en fusion, ils polymérisent en formant de longs complexes. Les laitiers acides sont ainsi très visqueux et, bien sûr, n'assimilent guère les oxydes acides présents dans le métal en fusion.