Voir la source de Aggloméré (sidérurgie)

[[image:Aggloméré de minerai de fer 1.jpg|vignette|right|upright=1.2|Morceaux d'aggloméré obtenus par le [[usine d'agglomération|procédé Dwight-Lloyd]], posés sur une feuille A4.|alt=photo de quelques morceaux d'aggloméré]]

L''''aggloméré''' est une matière composée d'[[Oxyde de fer|oxydes de fer]] et de [[gangue]] [[Grillage (métallurgie)|grillés]] et [[frittage|frittés]]{{Note|texte=En [[Communauté française de Belgique|Belgique francophone]], ce matériau a été appelé ainsi « fritte » {{incise|avec deux ''t'' car il est [[wikt:fritter|fritté]] et non [[wikt:frire|frit]]}}, du temps où il y était produit et consommé<ref>{{lien web |url= http://tchorski.morkitu.org/9/ougree-04.htm |titre= Cockerill Ougrée (4/22)}}</ref>.|group=note}} dans une [[usine d'agglomération]]. Ce produit est obtenu par combustion de [[charbon]] préalablement mélangé avec du [[minerai de fer]] et des [[oxyde]]s. Il s'agit d'un conditionnement du minerai de fer qui optimise son utilisation au [[haut fourneau]].

== Histoire ==
{{article détaillé|Usine d'agglomération}}

[[image:Iron ore sinter production.svg|thumb|left|upright=1.3|Expansion de la production sur chaîne d'aggloméré de minerai de fer au cours du {{s-|XX}}.]]

L'intérêt de l'agglomération a été identifié très tôt, mais les procédés utilisés alors n'étaient pas continus. La méthode primitive, consistant à pratiquer un grillage en [[meule]], est abandonnée vers la fin du {{s-|XIX}} à cause de sa trop grande dépense en combustible<ref group=L>Tome 1, {{p.|252-253}}</ref>. Les fours à cuve les remplacent alors, leur rendement très supérieur étant dû à la fois au confinement de la réaction et au fonctionnement à contre-courant (les matières solides descendent et les gaz montent)<ref group=L>Tome 1, {{p.|254-271}}</ref>.

Dans ces fours, le grillage des minerais de fer est alors utilisé pour obtenir le résultat inverse de celui que l'on cherche actuellement : en 1895, le grillage se fait à basse température pour éviter son agglomération, afin d'avoir un minerai friable<ref group=L>Tome 1, {{p.|244 ; 251}}</ref>.

Les fours à griller le minerai étaient alors des cuves inspirées des hauts fourneaux et des [[four à chaux|fours à chaux]] et étaient des outils peu productifs<ref name=BF-TheoryPractice>{{ouvrage |langue= en
 |prénom1= Julius H. |nom1= Strassburger
 |prénom2= Dwight C. |nom2= Brown
 |prénom3= Terence E. |nom3= Dancy
 |prénom4= Robert L. |nom4= Stephenson
 |titre= Blast furnace - Theory and practice, {{vol.}}1
 |éditeur= Gordon and Breach Science Publishers |lieu= New-York
 |année= 1984
 |ISBN= 0-677-13720-6
 |passage= 221-239
 |pages totales= 275
 |lire en ligne= https://books.google.fr/books?id=n7oOAAAAQAAJ&printsec=frontcover&hl=fr#v=onepage&q&f=false}}</ref>{{,}}<ref group=L>Tome 1, {{p.|260-270}}</ref>. Le procédé Greenawald, qui en automatise le principe<ref>{{article |langue= en
 |prénom1= William E. |nom1= Greenawald
 |titre= The Greenawald Sintering Process
 |périodique= Mining and Scientific Press
 |pages=81-85
 |jour= 15 |mois=janvier |année=1921
 |volume= 122
 |url texte= https://archive.org/details/miningscien122unse}}</ref>, connait vers 1910 un certain développement en permettant la production de {{unité|300000|tonnes}} annuelles<ref>{{ouvrage |langue= en
 |prénom1= L. |nom1= Hand |responsabilité1= Circuit Judge
 |titre= DWIGHT & LLOYD SINTERING CO., Inc., versus GREENAWALT (AMERICAN ORE RECLAMATION CO., Intervener).
 |jour= 20 |mois=08 |année= 1928
 |éditeur= Circuit Court of Appeals, Second Circuit
 |lire en ligne=http://174.123.24.242/leagle/xmlResult.aspx?xmldoc=192885027F2d823_1564.xml&docbase=CSLWAR1-1950-1985
}}</ref>.

En {{date-|juin 1906}}, la première machine d'agglomération sur chaîne (dite aussi sur grille), construite par A.S. Dwight et R. L. LLoyd, commence ses essais d'agglomération de minerais de [[cuivre]] et de [[plomb]]. La première chaîne destinée à l'agglomération de minerais de fer est construite en 1910 à [[Birdsboro (Pennsylvanie)|Birdsboro]], en [[Pennsylvanie]]<ref name=BF-TheoryPractice/>.

L'agglomération du minerai sur chaîne met une trentaine d'années pour se généraliser dans la [[sidérurgie]]. Alors qu'avant la [[Seconde Guerre mondiale]], elle ne servait essentiellement à reconditionner les fines de minerai, elle s'est généralisée après 1945 au traitement des minerais crus. Actuellement son rôle est essentiel car elle permet de mélanger plusieurs minerais entre eux, et surtout d'y incorporer des déchets minéraux plus ou moins riches en fer. Ce rôle de recyclage améliore la rentabilité et limite les déchets des complexes sidérurgiques, qui génèrent de nombreux résidus riches en fer ([[laitier (métallurgie)|laitiers]], boues, poussières{{etc.}})<ref name=BF-TheoryPractice/>.

== Intérêts et limitations ==

=== Intérêts ===

L'aggloméré est un produit optimisé pour son utilisation au haut fourneau. Pour cela, il doit remplir au mieux plusieurs conditions :
* être composé d'une gangue d'oxydes qui, combinée avec les cendres issue de la combustion du coke (essentiellement de la [[Dioxyde de silicium|silice]]), donnera naissance à un [[laitier (métallurgie)|laitier]] [[fusibilité|fusible]], à la fois réactif vis-à-vis des impuretés (le [[soufre]] apporté par le [[Coke (charbon)|coke]] en particulier), peu agressif vis-à-vis des [[matériau réfractaire|réfractaires]] habillant le haut fourneau et d'une qualité adaptée à sa valorisation ;
* vérifier une [[granulométrie]] précise, généralement comprise entre {{unité/2|20|et=80|mm}} (les morceaux trop petits colmatant le four, et les trop gros prenant trop de temps pour se transformer à cœur<ref group=L>Tome 1, {{p.|237}}</ref>) ;
* conserver une perméabilité aux gaz réducteurs, et cela aux plus hautes températures possibles ;
* réaliser les réactions endothermiques à basse température qui peuvent être faites plus économiquement hors d'un haut fourneau. Il s'agit essentiellement du [[Dessiccation|séchage]], de la [[calcination]] de la gangue (dé[[carbonatation]] des calcaires et [[déshydratation (chimie)|déshydratation]] des [[argile]]s ou des [[gypse]]s) et de réactions de [[Réaction d'oxydoréduction|réduction]]. L'aggloméré devient alors, à poids égal, plus riche en fer que le minerai.
* suroxyder les oxydes de fer, le [[Oxyde de fer(III)|{{formule chimique|Fe|2|O|3}}]] étant mieux réduit par [[monoxyde de carbone]] présent dans le haut fourneau que les composés moins oxydés, surtout le [[Oxyde de fer(II,III)|{{formule chimique|Fe|3|O|4}}]]<ref group=L>Tome 1, {{p.|248}}</ref>.

Un autre intérêt consiste en l'élimination d'éléments indésirables : le procédé d'agglomération sur chaîne élimine 80 à 95 % du soufre présent dans le minerai et ses additifs<ref name=BF-TheoryPractice/>. C'est également un moyen de se débarrasser du [[zinc]], élément « empoisonnant » les hauts fourneaux, car sa température de vaporisation, de {{tmp|907|°C}}, correspond à celle d'un grillage bien mené<ref group=L name=p231-233;245-247>Tome 1, {{p.|231-233 ; 245-247}}</ref>{{,}}{{#tag:ref|Historiquement, le grillage des [[pyrite]]s, résidus de la fabrication d'[[acide sulfurique]], était uniquement destiné à ôter le soufre et le zinc. En effet, celles-ci contiennent 60 à 65 % de fer et moins de 0,01 % de phosphore, mais jusqu'à 6 % de soufre et 12 % de zinc<ref group=L name=p231-233;245-247/>.|group=note}}.

=== Limitations ===

Par contre, l'aggloméré est un produit [[abrasif]] qui abime la cuve des hauts fourneaux, surtout si ceux-ci ne sont pas conçus pour l'absorber<ref group=SF>{{§|Saga des hauts fourneaux de Lorraine : leurs campagnes de marche (Usine de Fontoy)}}</ref>, et surtout [[fragilité|fragile]]. Les manutentions répétées dégradent sa [[granulométrie]], et génèrent des [[wikt:fines|fines]] ce qui en fait un conditionnement mal adapté aux sites éloignés des hauts fourneaux : les [[boulette (sidérurgie)|boulettes]] sont alors préférables. On peut améliorer la résistance à froid, notamment celle à l'écrasement, en augmentant l'énergie apportée lors du frittage<ref name=BF_Intro>{{ouvrage |langue= en
 |titre= Modern blast furnace iron making |sous-titre= An introduction
 |prénom1= Maarten |nom1= Geerdes
 |prénom2= Hisko |nom2= Toxopeus
 |prénom3= Cor |nom3= van der Vliet
 |numéro d'édition= 2
 |éditeur= IOS Press
 |année= 2009
 |passage= 26
 |lire en ligne= http://fr.scribd.com/doc/224617334/Modern-Blast-Furnace-Ironmaking-an-Introductio-001-2
 |isbn= 978-1-60750-040-7 |isbn2= 160750040X}}</ref>.

Améliorer la résistance mécanique améliore également la tenue de l'aggloméré dans les procédés qui l'utilisent. En effet, la réduction de l'[[hématite]] ({{formule chimique|Fe|2|O|3}}) en [[magnétite]] ({{formule chimique|Fe|3|O|4}}) crée des [[Contrainte (mécanique)|contraintes]] internes. Mais outre une augmentation du coût de production de l'aggloméré, la réductibilité se dégrade quand on cherche à améliorer la résistance mécanique<ref name=BF_Intro/>.

== Composition ==

L'aggloméré est généralement classé suivant qu'il est acide ou basique. L'indice de [[Base (chimie)|basicité]] complet ''i<sub>c</sub>'' est calculé par le rapport suivant des [[Concentration massique|concentrations massiques]]<ref name=BF-TheoryPractice/> :
: <math>I_c = \frac{[CaO]+[MgO]} {[SiO_2]+[Al_2O_3]} </math>

On simplifie souvent en se contentant de calculer un indice de basicité simplifié noté ''i'' (ou parfois ''i<sub>a</sub>''), égal au rapport {{nobr|[[Chaux (matière)|CaO]] / [[Dioxyde de silicium|{{formule chimique|SiO|2}}]]}}<ref group=SF>{{§|Indice (de basicité) simplifié}}</ref>. L'aggloméré d'un indice ''i<sub>c</sub>'' inférieur à 1 est dit acide, supérieur à 1, il est généralement dit basique, égal à 1 il est qualifié d'auto-fondant (''i<sub>c</sub>''=1 étant équivalent à ''i<sub>a</sub>''=1,40<ref group=SF name=IndiceReduit>{{§|Indice réduit}}</ref>). Avant les années 1950, l'aggloméré d'un indice ''i<sub>c</sub>'' inférieur à 0,5 était majoritaire. Puis, lorsqu'il a été compris que l'aggloméré pouvait incorporer la [[Castine (pierre)|castine]] qui était alors chargée dans le haut fourneau séparément, les indices basiques se sont généralisés : en 1965, les indices inférieurs à 0,5 représentaient moins de 15 % du tonnage d'aggloméré produit alors que les agglomérés basiques en représentaient 45 %<ref name=BF-TheoryPractice/>.

On trouve encore la relation : <math>\scriptstyle\ i_b = \frac{[CaO] + k \cdot [MgO]} {[SiO_2]}</math>, k étant une constant déterminée empiriquement<ref name=Grebe>{{Chapitre |langue= de
 |titre= Das Hochofenverhalten von Möller und Koks
 |auteur= K. Grebe
 |titre ouvrage= Berichte, gehalten im Kontaktstudium „Metallurgie des Eisens; Teil I: Eisenerzeugung“
 |auteurs ouvrage= F. Oeters, R. Steffen
 |éditeur= Verlag Stahleisen mbH |lieu=Düsseldorf |collection= Metallurgie
 |volume= 2
 |année= 1982
 |isbn= 3-514-00260-6
 |passage=95-101}}</ref> (parfois égale, pour simplifier, à 1<ref group=SF name=basicité>{{§|Basicité}}</ref>). La réduction du fer est, en elle-même, favorisée par un milieu basique, et culmine pour 2<''i<sub>b</sub>''<2,5. C'est également dans ce domaine que la résistance mécanique est la meilleure (et aussi, la [[fusibilité]] du laitier la plus mauvaise, ce qui complique son évacuation du haut fourneau). Au-delà d'un indice ''i<sub>b</sub>'' de 2,6, la proportion d'aggloméré en fusion augmente, ce qui colmate ses pores et ralenti les réactions chimiques entre les gaz et les oxydes. Quant aux agglomérés acides d'indice ''i<sub>b</sub>'' inférieur à 1, le ramollissement commence dès que seulement 15 % environ du minerai est réduit<ref name=Grebe/>.

L'indice de basicité optimal est donc déterminé en fonction du minerai utilisé, des caractéristiques techniques du haut fourneau, de la destination de la fonte et des qualités recherchées. On relève par exemple :
* les fontes élaborées à partir [[minette lorraine]] et destinées à l'[[affinage des métaux|affinage]] au [[procédé Thomas]] avaient des basicités de ''i''=1,35 (soit un indice complet I=1), ce qui était un compromis entre la [[viscosité]] à basse température (qui nécessite un laitier acide) et la désulfuration (favorisée par un laitier basique)<ref group=SF name=IndiceReduit/> ;
* les usines pour lesquelles la teneur une fonte riche en soufre ne pose pas de problème adoptent un aggloméré plus acide : avec ''i''= 0,9 à 1,0. On favorise ainsi la réduction du [[silicium]] mais on peut aboutir à des teneurs en soufre très élevées, de 0,1 à 0,25 %<ref group=SF name=basicité/> ;
* l'élaboration de [[ferromanganèse]] au haut fourneau nécessite d'avoir un haut rendement en [[manganèse]] donc des basicités élevées, jusqu'à i = 1,7 ou 1,8 (en sachant que dans ce cas particulier, l'indice correspond à <math>\scriptstyle\ i = \frac{[CaO] + [MgO] + [BaO]} {[SiO_2]}</math>!). La fusibilité est dans ce cas un point secondaire, la température des laitiers pouvant atteindre {{tmp|1650|°C}} (au lieu de {{tmp|1450|°C}} - {{tmp|1550|°C}} dans la production des fontes pour affinage)<ref group=SF>{{§|Indice (de Basicité)}}</ref>.

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|groupe=note}}

=== Références ===
{{Références}}
* {{ouvrage
 |prénom1= Adolf |nom1= Ledebur |lien auteur= Adolf Ledebur
 |titre= Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II
 |id= ref_Ledebur}} ([[#ref_Ledebur|voir dans la bibliographie]])
{{références|colonnes=3|groupe=L}}
* {{Ouvrage |format= pdf
 |prénom1=Jacques |nom1=Corbion
 |préface=Yvon Lamy
 |titre=Le Savoir… fer — Glossaire du haut fourneau |sous-titre=Le langage… (savoureux, parfois) des hommes du fer et de la zone fonte, du mineur au… cokier d'hier et d'aujourd'hui
 |année=2003 |numéro d'édition=5
 |lire en ligne=http://savoir.fer.free.fr/pGLO/5e_ed/Ve_index.php |référence=Référence:Le savoir...fer : glossaire du haut fourneau (Jacques Corbion)}}
{{références|colonnes=2|groupe=SF}}

== Voir aussi ==
=== Bibliographie ===
* {{ouvrage
 |prénom1= Adolf |nom1= Ledebur |lien auteur= Adolf Ledebur
 |traducteur= Barbary de Langlade revu et annoté par F. Valton
 |titre= Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Tome I et Tome II
 |référence= Référence:Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer (A.Ledebur)
 |éditeur= Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur
 |année= 1895
 |id= ref_Ledebur}}

=== Articles connexes ===
{{Autres projets|Category:Iron ore sinter}}
* [[Speiss]]
* [[Usine d'agglomération]]
* [[Boulette (sidérurgie)]]

{{Portail|Industrie|matériaux}}

[[Catégorie:Métallurgie extractive]]