# Recyclage de mâchefers par fusion réductrice

Luc George, Jean Sünnen

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Luc George, Jean Sünnen. Recyclage de mâchefers par fusion réductrice. Environnement, Ingénierie & Développement, 2002, N°26 - 2ème Trimestre 2002, pp.6-9. 10.4267/dechets-sciences-techniques.2362. hal-03178409

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Submitted on 23 Mar 2021

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<figure><img src="image_1.png" /></figure>

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pourrait être présentée sous la
forme d'un livret de recom-
mandations à l'usage de la pro-
fession comme cela existe pour
les Miom en utilisation routière.
Il pourrait en être de même lors
de l'installation d'une machine à
courants de Foucault, mais ces
spécifications font souvent par-
tie du savoir-faire de l'entrepri-
se et dépendent du bon vouloir
des industriels qui promulguent
ces technologies.

CONCLUSION

Dans les conditions françaises,
où une part prépondérante des
emballages aluminium se retrou-
ve dans les ordures ménagères,
l'extraction de l'aluminium et des
NF des mâchefers d'incinération
est a priori une opération éco-
nomiquement rentable qui doit
être envisagée dans toute plani-
fication de centre de valorisa-
tion de Miom. Les petits inciné-
rateurs peuvent regrouper leur
mâchefer sur une plate-forme
commune de traitement afin de
profiter des économies d'échel-
le. Dans tous les cas, l'aluminium
extrait à partir de la fraction gra-
nulométrique de 5 mm connaî-
tra une valorisation sous forme
d'alliages de moulage qui per-
mettront de fabriquer de nom-
breuses pièces destinées notam-
ment à la construction automo-
bile (blocs moteurs, carters, etc).

* **François Pruvost,**
France Aluminium Recyclage C/O
Pechiney - 7 place du Chancelier
Adenauer, 75218 Paris Cedex

**Marie-Madeleine Fanget,
Robert Guillermet et Serge
Terroni,
Pechiney Centre de recherches de
Voreppe - BP 27, 38341 Voreppe
Cedex

Bibliographie

[1] Goacolou H., Seigneurie C., Jozon C., Pascual C., Drouaine I., Troesch O (1995) - SCORCIM pour la valorisation des mâchefers en travaux routiers, Revue Générale des Routes et Aérodromes, 729, p. 39-42.

RECYCLAGE DE MÂCHEFERS
PAR FUSION RÉDUCTRICE

Luc George, Jean Sünnen
Sünnen Technologies

Le recyclage de mâchefers par fusion réductrice sous laitier électroconducteur permet, dans une optique de zéro déchets, avec une dépense d'énergie de 300 kWh/t et pour un coût de 68 €/t de récupérer environ 800 kg de laitier propre, 80 kg de fonte et 20 à 30 kg de résidus d'épuration de fumées (REF) : résidus d'épuration de fumées. Le laitier liquide peut être transformé en matériaux de base d'applications en génie civil : fibres de renforcement ou matériaux poreux tandis que la fonte est recyclable en fonderie. Les différents sels contenus dans les REF peuvent être récupérés comme sels purs par un procédé de séparation chimique traditionnel.

Recycling of bottom ashes by mel-
ting under reducing conditions by
the electroslag process allows us,
in a zero waste policy, with an
energy expense of 300 kWh/t on
hot ashes and for a total cost of 68
€/t to recuperate around 800 kg of
a clean slag, 80 kg of iron and 20 to
30 kg of fly ash. The liquid slag can
easily be transformed in raw mate-
rials for the building industry: rein-
forcement filaments or porous
materials for light weight concre-
te. The iron can be recycled in
foundries. The different heavy
metal compounds of the fly ashes
can be separated by conventional
processes and recycled as pure
metallic salts in the non ferrous
industry.

INTRODUCTION

Divers procédés ont été proposés pour
obtenir par fusion de mâchefers ou de
refiom un vitrifiat présentant un bon com-
portement à la lixiviation. Les procédés

de fusion par plasma ou arc électrique pré-
sentent, par suite des températures très
élevées mises en œuvre, l'inconvénient
d'une consommation d'énergie électrique
très élevée, induisant un dégagement
important de fumées, donc de résidus
d'épuration de fumées (REF), la production
de NOx et une faible durée de vie des
réfractaires soumis au rayonnement de
l'arc ou du plasma. Il semblerait par ailleurs
que certaines municipalités japonaises uti-
lisent des fours à arc triphasés traditionnels.
On dispose de très peu de renseignements
sur ces installations mais à première vue les
mêmes problèmes de réfractaires, de
consommation d'énergie, de volatilisation
et de production de REF et de NOx
de devraient se poser.

Un autre procédé [1] a été proposé, il
consiste à mettre les mâchefers en fusion
à environ 1 500 °C en présence d'un excès
d'oxygène. Les résidus ferreux sont ainsi
oxydés, et les métaux lourds, aisément
volatilisés, évaporés. Suite à l'étape de
fusion, le liquide est placé en conditions
réductrices. Pendant cette phase, des
métaux lourds natifs se forment et sédi-
mentent par gravité, laissant en surface
des scories silicatées, ces dernières devant
être valorisées comme additifs au ciment.
Bien que ce procédé semble à priori inté-
ressant du point de vue énergétique et
économique, l'utilisateur reste confronté
au problème majeur de la durée de vie
des réfractaires du four, au volume de
fumées produites ainsi qu'à la teneur en
oxydes de chrome et fer (FeCr₂O₄) des
scories si celles-ci sont destinées à être
valorisées comme additifs au ciment.

Le procédé électroslag de fusion réductri-
ce sous laitier est innovant sur plusieurs
plans :

– la consommation spécifique est d'environ
300 kWh/t de mâchefers chargés chauds ;
– le revêtement en graphite du four possède une résistance exceptionnelle à l'agression de laitiers fondus contenant des alcalis et du Cl ;

– seuls les métaux lourds volatils sont volatilisés et le volume des REF est réduit au minimum ;

– les autres métaux lourds sont dissous dans la fonte produite.

## LE PROCÉDÉ ÉLECTROSLAG DE FUSION RÉDUCTRICE SOUS LAITIER

Le procédé électroslag de fusion réductrice sous laitier (figure 1) utilise le chauffage direct d'un mélange d'oxydes par effet Joule¹. La conductibilité électrique de mélanges d'oxydes fondus est fonction de la mobilité des cations et de la viscosité et de la température du mélange fondu. Le procédé de chauffage direct par effet Joule est utilisé depuis longtemps pour le chauffage du verre et le soudage et la refusion de métaux. Au début des années 80 un sidérurgiste européen a construit un prototype de four électroslag constitué d'un réacteur étanche muni d'un garnissage de graphite et de 3 électrodes. Plus de 18 mois d'essais sur ce pilote d'une capacité de 6 à 10 t/h à 1 500 °C ont permis de mettre en évidence les qualités exceptionnelles de ce procédé de fusion. Ce type de four peut fonctionner en continu durant des périodes de plus de 6 mois, à des températures atteignant 1 800 °C et avec un rendement énergétique de près de 85 %. De très nombreux essais sur des mélanges du type : SiO₂ 36 à 50 %, Al₂O₃ 10 à 14 %, CaO 13 à 36 %, MgO 3 à 13 %, Fe₂O₃ 1 à 8 %, Na₂O 1 à 5 %, ont confirmé une consommation spécifique d'énergie de 500 à 550 kWh/t à 1 500 °C.

Ainsi les avantages du procédé électroslag sont les suivants :

– un rendement énergétique très élevé, supérieur à 85 % ;

– une consommation d'énergie de l'ordre de 550 kWh/t à 1 500 °C ;

– une température de fonctionnement pouvant atteindre 1 800 °C sans gradients thermiques ;

– la possibilité d'avoir une opération en continu sur plusieurs mois ;

– un très faible volume de fumées, donc un traitement des fumées peu coûteux ;

– une consommation d'électrodes 5 à 10 fois inférieure à celle d'un four à arc ;

– une charge résistive² sans perturbation du réseau ;

– une longue durée de vie des réfractaires et du trou de coulée ;

– un excellent brassage électromagnétique du bain.

## APPLICATION À LA FUSION RÉDUCTRICE DE MIOM

Lorsque l'on examine les analyses de Miom (tableau 1) on peut, lors de la fusion en présence de C, généralement du coke, du graphite ou les imbrûlés du mâchefer, distinguer trois parties :

– une partie « non réductible » qui va donner des silicates

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Schéma de principe du four électroslag</figcaption></figure>

dite phase « minérale », SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂, BaO, Na₂O, K₂O ;

– une partie réductible Fe₂O₃, P₂O₅, SO₃, CuO, NiO, PbO, ZnO, CdO, SnO ;

– une partie peu réductible MnO, Cr₂O₃.

À haute température et en présence de C, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂ et BaO passent entièrement dans la phase « minérale » appelée le laitier (densité 2.7), tandis que Na₂O et K₂O sont partiellement réduits en Na et K gazeux et restent partiellement dans le laitier sous forme de silicate ou titanate de Na et K. Pour la partie réductible, si la quantité de C ajoutée est suffisante, Fe₂O₃, P₂O₅, SO₃, CuO, NiO, sont totallement réduits et forment la phase métallique appelée fonte (densité 7.8). Les autres oxydes PbO, ZnO, CdO et SnO, facilement réductibles par le C, sont volatilisés et se retrouvent dans la phase gazeuse c'est à dire les fumées. Si l'opération est conduite à température modérée le Pb est récupéré sous forme liquide. Comme sa solubilité dans la fonte est nulle, le Pb, (densité 11) se sépare par gravité sous la fonte. Le S se retrouve sous forme de FeS dans la fonte.

MnO et surtout Cr₂O₃ ne sont que partiellement réduits par le C et restent présents dans le laitier. Le Cl se retrouve naturellement dans les fumées. Les imbrûlés, de même que le C ajouté intentionnellement à la charge, se retrouvent sous forme de CO dans les fumées.

## BILAN DE MASSE

### Mâchefers d'incinération d'ordures ménagères (MIOM)

Pour les Miom de nombreuses simulations sur ordinateurs ont été confirmées par des essais réels sur un four de capacité nominative de 20 kg et sur un pilote de capacité nominative d'une tonne.

À partir d'un Miom dont l'analyse est la suivante :
SiO₂ 53 %, Al₂O₃ 10 %, CaO 15 %, MgO 2 %, TiO₂ 1 %, Na₂O 4 %, K₂O 1 %, Fe₂O₃ 8 %, P₂O₅ 2 %, SO₃ 1 %, Cl 0.3 %, LOI 1.4 %, Cr₂O₃ 0.01 %, CuO 0.3 %, NiO 0.03 %, PbO 0.2 %, SnO 0.1 %, ZnO 0.7 %.

On obtiendra par fusion réductrice avec 30 kg de C :
<table><caption>Tableau 1 : Analyses chimiques de MIOM</caption><thead><tr><th>Référence</th><th>[5]</th><th></th><th>[6]</th><th></th><th>[7]</th><th></th></tr><tr><th>%</th><th>Analyse</th><th>Laitier<fnref n="1" /></th><th>Analyse</th><th>Laitier<fnref n="1" /></th><th>Analyse</th><th>Laitier<fnref n="1" /></th></tr></thead><tbody><tr><td>SiO<sub>2</sub></td><td>53.60</td><td>65.4</td><td>53.70</td><td>61.9</td><td>44.0</td><td>61.6</td></tr><tr><td>Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td>6.14</td><td>7.5</td><td>10.20</td><td>11.8</td><td>9.0</td><td>12.6</td></tr><tr><td>CaO</td><td>11.23</td><td>13.7</td><td>15.30</td><td>17.6</td><td>11.0</td><td>15.4</td></tr><tr><td>MgO</td><td>1.97</td><td>2.4</td><td>2.50</td><td>2.9</td><td>2.2</td><td>3.1</td></tr><tr><td>BaO</td><td>n.d.</td><td>n.d.</td><td>n.d.</td><td>n.d.</td><td>0.2</td><td>0.3</td></tr><tr><td>TiO<sub>2</sub></td><td>0.20</td><td>0.2</td><td>n.d.</td><td>n.d.</td><td>1.0</td><td>1.4</td></tr><tr><td>Na<sub>2</sub>O</td><td>7.88</td><td>9.6</td><td>3.50</td><td>4.0</td><td>3.0</td><td>4.2</td></tr><tr><td>K<sub>2</sub>O</td><td>0.91</td><td>1.1</td><td>1.60</td><td>1.8</td><td>1.0</td><td>1.4</td></tr><tr><td><strong>Total</strong></td><td><strong>81.93</strong></td><td><strong>100.0</strong></td><td><strong>86.80</strong></td><td><strong>100.0</strong></td><td><strong>71.4</strong></td><td><strong>100.0</strong></td></tr><tr><td>Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td>9.76</td><td>11.9</td><td>7.40</td><td>8.5</td><td>10.2</td><td>14.3</td></tr><tr><td>P<sub>2</sub>O<sub>5</sub></td><td>0.82</td><td>1.0</td><td>1.50</td><td>1.7</td><td>0.9</td><td>1.3</td></tr><tr><td>SO<sub>3</sub></td><td>1.00</td><td>1.2</td><td>0.80</td><td>0.9</td><td>0.8</td><td>1.1</td></tr><tr><td>C</td><td>0.4</td><td></td><td>1.84</td><td></td><td>n.d.</td><td></td></tr><tr><td>CuO</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.26</td><td></td><td>0.5</td><td></td></tr><tr><td>NiO</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.03</td><td></td><td>0.27</td><td></td></tr><tr><td>Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub></td><td>n.d.</td><td></td><td>0.08</td><td></td><td>0.2</td><td></td></tr><tr><td>MnO</td><td>0.2</td><td></td><td></td><td></td><td>0.15</td><td></td></tr><tr><td>PbO</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.23</td><td></td><td>0.76</td><td></td></tr><tr><td>ZnO</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.66</td><td></td><td>0.52</td><td></td></tr><tr><td>CdO</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.001</td><td></td><td>0.004</td><td></td></tr><tr><td>SnO</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.07</td><td></td><td>0.02</td><td></td></tr><tr><td>Cl</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.32</td><td></td><td>0.25</td><td></td></tr><tr><td>F</td><td>n.d.</td><td></td><td>0.04</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dioxines</td><td>n.d.</td><td></td><td>17 ng/kg</td><td></td><td>n.d.</td><td></td></tr></tbody></table>

- *Un laitier propre*, environ 850 kg/tonne de MIOM contenant du SiO₂ 65 %, Al₂O₃ 12 %, CaO 19 %, MgO 2.5 %, TiO₂ 1 %, et éventuellement un peu de Fe₂O₃, Na₂O et K₂O selon la quantité de C ajoutée à la charge.

- *Une fonte*, environ 80 kg/t de Miom essentiellement constituée de Fe avec du C, du S et du P ainsi que de traces de Cu et de Ni.

- *Une phase gazeuse*, d'environ 100 kg/t de Miom (80 Nm³/t) principalement composée de CO, d'un mélange de carbonates de Na et K ainsi que de sels de Zn, Cd, Sn et Pb.

## Mâchefers d'incinération de déchets industriels (MIDI)

Les Midi contiennent en général plus de TiO₂, BaO, SrO et ZrO₂, la teneur en Fe₂O₃ peut dépasser 30 %, les teneurs en P, S Cl et métaux lourds sont fréquemment plus élevées que dans les Miom. En adaptant la quantité de C nécessaire à la réduction des oxydes réductibles par le carbone on obtiendra de même un laitier propre, une fonte valorisable et des Refidi.

À partir d'un Midi ayant la composition suivante : SiO₂ 38 %, Al₂O₃ 12 % CaO 8 %, MgO 3 %, BaO 1 %, TiO₂ 5 %, Na₂O 4 %, K₂O 1 %, Fe₂O₃ 22.5 %, P₂O₅ 2 %, SO₃ 1 %, Cl 0.1 %, LOI 1.1 %, Cr₂O₃ 0.6 %, CuO + NiO 0.4 %, PbO 0.05 %, SnO + ZnO 0.25 %.

On obtiendra par fusion réductrice avec 60 kg de C :

- *Un laitier propre*, environ 720 kg/tonne de Midi, composé

<table><caption>Tableau 2 : Comparaison des consommations spécifiques sur mâchefers froids</caption><thead><tr><th>Procédé</th><th>Référence</th><th>KWh/t</th><th>Rendement</th></tr></thead><tbody><tr><td>Four plasma</td><td>[2]</td><td>1750</td><td>&lt; 30 %</td></tr><tr><td>Four à arc</td><td>[3]</td><td>800 - 1000</td><td>50 à 60 %</td></tr><tr><td>Electroslag</td><td>[4]</td><td>&lt; 600</td><td>80 à 85 %</td></tr></tbody></table>

<table><caption>Tableau 3 : Comparaison de la consommation spécifique sur mâchefers chauds</caption><thead><tr><th>Procédé</th><th>Référence</th><th>KWh / t</th></tr></thead><tbody><tr><td>Holderbank</td><td>[1]</td><td>&lt; 500</td></tr><tr><td>Electroslag</td><td>[4]</td><td>300</td></tr></tbody></table>

de SiO₂ 53 %, Al₂O₃ 17 %, CaO 11 %, MgO 4 %, TiO₂ 7 %, Na₂O 7 % et éventuellement d'un peu de Fe₂O₃ et K₂O selon la quantité de C ajoutée à la charge.

- *Une fonte*, environ 170 kg/t de Midi, essentiellement constituée de Fe avec du C et du P ainsi que de traces de Cu et de Ni.

- *Une phase gazeuse*, d'environ 170 kg/t de Midi (140 Nm³/t) principalement composée de CO, d'un mélange de carbonates de Na et K ainsi que de sels de Zn, Cd, Sn et Pb.

## COÛT DE LA FUSION RÉDUCTRICE SOUS LAITIER

Pour un four d'une puissance nominale de 1,5 MW et d'une capacité de 2,5 t/h soit 20 000 t/an sur mâchefers chargés froids, le coût total est de 91 €/t. Dans ce dernier est pris en compte l'énergie électrique, la main d'œuvre, la consommation d'électrodes de graphite, la réparation des réfractaires et l'amortissement. Ce coût est ramené à 74 €/t si l'opérateur est auto producteur d'énergie électrique et à 68 €/t si les mâchefers sont chargés chauds à la sortie de l'incinérateur. Le poste principal du coût à la tonne est le poste énergie électrique, on peut donc se faire une idée des coûts comparatifs de fonctionnement des divers procédés en se référant aux tableaux 2 et 3.

La consommation spécifique peut varier en fonction de la composition du mélange, des réactions endothermiques de réduction et de vaporisation, et bien sûr de la température de travail.

## VALORISATION DU LAITIER ET DE LA FONTE

La fonte est valorisable en métallurgie bien qu'elle puisse contenir des quantités importantes de phosphore. Il existe en effet des applications en fonderie où l'on recherche la présence de P en particulier pour les pièces minces. Les teneurs en Cu, Ni et autres éléments d'alliages ne sont pas gênantes si les teneurs restent limitées. Selon la situation du marché de la ferraille et sa composition, on peut valoriser cette fonte entre 30 et 50 €/t. La teneur en S peut être contrôlée et réduite par des techniques éprouvées.

Le laitier peut être simplement granulé dans l'eau ou à sec et être utilisé comme matériau de remblai. Comme tel il ne présente qu'une très faible valeur marchande, bien que son com-

<footnote n="1">¹Rendement calculé par rapport à un Miom dont l'enthalpie est de 480 kWh/t à 1500 °C</footnote>