În industria siderurgică , zgura este zgura care se formează în timpul topirii sau producției metalului prin mijloace lichide . Este un amestec compus în esență din silicați , aluminați și var , cu diferiți oxizi metalici , cu excepția oxizilor de fier . Rolurile sale în metalurgia metalelor feroase topite sunt multiple.
Acest material este un secundar de important produs de furnale , apreciate ca rambleu sau ca materie primă pentru fabricarea cimentului . Ca lapte de moara de oțel în cazul în care zgura au fost , de asemenea , un orificiu de evacuare principal pentru industria oțelului la începutul XX - lea secol, dezvoltarea de produse lactate moderne se întâmplă după optimizarea proceselor metalurgice din industria oțelului.
Potrivit lui Le Petit Robert , termenul a fost folosit în metalurgie din cel puțin 1676. Etimologia sa duce imediat înapoi la cuvântul „ lapte ”. Într-adevăr, atunci când acestea sunt complet lipsite de fier , zgura dintr-un furnal are o albă și un aspect care amintește de laptele care fierbe. Este un cuvânt al meseriei:
„Zgură, un termen pentru fondatori care traduce bine în metafora sa spontană albirea orbitoare a zgurii care plutește în baia de fontă topită, în timp ce lucrările științifice au folosit mai degrabă„ zgură ”sau„ zgură ””
- Pierre Masson, secolul al XVIII-lea , 1991
Zgura este denumirea dată zgurii metalurgice din metalurgia fierului și a compușilor săi:
„Zgura lipsită de fier se numește„ zgură ”în metalurgia fierului și feroaliaje , rezervând termenul zgură pentru zguri feruginoase în metalurgia metalelor neferoase. Sărurile topite rezultate, de exemplu, din reducerea electrolitică a halogenurilor se mai numesc zgură . "
- Pierre Blazy & El-Aid Jdid, Introducere în metalurgia extractivă
Pentru furnalele „expresia subprodus a fost folosită de foarte mult timp fără ca cineva să găsească vina ... Cu toate acestea, pentru a arăta că evaluarea zgurilor a fost un obiectiv în sine, această expresie a fost înlocuită în anii 1980 cu expresia coprodusă ” . Dezbaterea semantică este identică pentru zgurile produse de transformatorii Thomas : aceste zguri trebuiau să fie cât mai bogate în fosfor pentru a justifica utilizarea lor ca îngrășământ . Pe de altă parte, pentru alte oțelării zguri , modernizarea lor este rareori profitabil: acestea sunt produse secundare de nici un interes economic.
Zgura apare în timpul producției de metale sub formă lichidă. Densitatea redusă (2.4) îl face să plutească deasupra metalului topit. Metalul este ușor separat de acesta deoarece este un compus ionic, nemiscibil cu metalul topit.
Este un produs secundar rezultat din fabricarea fontei într-un furnal , unde corespunde gangului steril al minereului de fier la care se adaugă cenușa cocsului. Cantitatea de zgură produsă corespunde direct bogăției minereului de fier utilizat. Pentru un furnal modern care funcționează cu minereuri bogate în fier, se ajunge în general la o proporție de 180 până la 350 kg de zgură pentru 1 tonă de fontă produsă. Cifre extreme sunt posibile 100 kg / t pentru un furnal care consumă cărbune, 1300 kg / t pentru minereuri sărace și combustibil ieftin. Această cifră a fost denier clasic până în secolul al XVIII- lea ... dar conținutul de fier a depășit 5%.
Pentru siderurgie, zgura din fontă permite controlul compoziției fontei (în special prin îndepărtarea sulfului , un element nedorit, dar și a alcalinilor , care perturbă funcționarea furnalului) și controlul uzurii a refractarilor.
Cu toate acestea, din punct de vedere termic, zgura este sterilă care trebuie topită, chiar dacă entalpia sa, de aproximativ 1.800 MJ / t de zgură, corespunde doar 3,5% din bilanțul energetic al furnalului, valoarea sa, deși nu neglijabil, este mult mai puțin interesant decât cel al fontei. Minereurile de fier slabe, cum ar fi minette din Lorena , care induc un consum mai mare de cocs în furnal, au fost astfel abandonate, deoarece cantitatea de material care trebuie încălzită în furnal este mai mare. Într-adevăr, chiar și pentru un furnal care funcționează cu minereuri bogate în fier, volumul de zgură este identic cu cel al fontei produse (din cauza diferenței de densitate), prețul de vânzare al zgurii granulate este mai mic de 5% din costul de producție al fontei.
Compoziții tipice de zgură de fontă (în% din greutate) | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tip zgură | FeO , / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | TiO 2 | S |
Alt cuptor (fontă hematită ) | 0,16 -0,2 | <1 | 34 - 36 | 10-12 | 38 - 41 | 7-10 | 1 | 1 - 1,5 | |
Cupolă | 0,5 - 2,5 | 1-2 | 25 - 30 | 5 - 15 | 45 - 55 | 1-2 |
Furnal zgură , cu o compoziție chimică foarte stabilă, este adesea utilizat la fabricarea cimentului (BFS-OPC) sau, mai rar, la fabricarea sticlei: este apoi granulat sau peletizat sub formă de nisip. Acest nisip se obține prin răcirea bruscă în contact cu apa, astfel încât să se fractureze și să o vitrifice . Zgura poate fi turnată și într-o groapă, unde se cristalizează și se fisurează după o răcire lentă: este apoi destinată lucrărilor publice ( balast , asfalt etc.). În cazul în care se constată că condițiile severe de calitate, acesta poate fi utilizat în fabricarea de vată de sticlă , etc.
Zgura topită care curge într-o instalație de peletizare .
Zgură de furnal granulată (sau vitrificată).
Eșantion de zgură granulată.
Bloc de zgură cristalizată utilizat la umplere.
Într-o fabrică de oțel , zgura provine atât de la convertoare , unde este foarte oxidată, din metalurgia cu oală sau din cuptoare electrice . Pentru o tonă de oțel produsă, există între 150 și 200 kg de zgură fabricată din oțel, indiferent de sector (furnal - convertor sau topirea deșeurilor).
Zgura convertitoare (sau zgură neagră) este produsă prin oxidarea elementelor nedorite (cum ar fi siliciu și fosfor ) sau oxidarea inevitabilă datorită procesului (cum ar fi fierul și manganul ). Acești oxizi sunt diluați în materiale destinate să confere zgurii un caracter mai mult sau mai puțin bazic sau vâscos etc. . Aceste materiale sunt în general de bază , cum ar fi var de magneziu sau fluor .
Compoziții tipice de zgură metalurgică primară (în% din greutate, la sfârșitul maturării ) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tip zgură | FeO / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | S |
Bessemer original | 15 | 7 | 75 | 3 | 0 | |||
Procesul original Thomas | 17 | 9 | 15 | 37 | 10 | 12 | 0,5 | |
Thomas s-a îmbunătățit | 10 | 3 | 7 | 2 | 52 | 5 | 20 | 0,3 |
Convertor de tip OLP | 12 | 4 | 7 | 57 | 20 | |||
Convertor de tip LD | 20 | 7 | 13 | 48 | 2 | |||
Cuptor cu arc electric cu tratament OLP | 20 - 30 | 7 | 50 | 1 - 2,5 |
Zgură topită care curge într-un șanț, lăsând un convertor Martin-Siemens în 1941.
Rolul zgurii metalurgice secundare (sau zgurii albe) este la fel de variabil pe atât de complex. Adună impuritățile și elementele chimice nedorite prin absorbția incluziunilor de oxizi dizolvați în metal, rezultând în general din calmare . Pentru aceasta, este esențial să-i gestionăm compoziția, astfel încât să o facem reactivă. De exemplu, un conținut ridicat de var și fluor va promova captarea incluziunilor de alumină, care sunt acide. Totuși, această zgură trebuie să protejeze și cărămizile refractare ... ajustarea zgurii din oțelărie este, așadar, un compromis.
În plus, anumiți oxizi de zgură, cum ar fi FeO , pot oxida adaosuri de aliaje precum ferotitaniu , aluminiu , feroboron ... În acest caz, aceste elemente de aliere sunt consumate înainte de a ajunge la metalul lichid: oxidarea lor este deci o deșeu. Prea multă zgură sau oxidarea slab controlată a zgurii este în acest caz inacceptabilă.
În metalurgia zalei sau a metalurgiei secundare, instrumentele asociate cu tratarea zgurii constau în general dintr-o „greblă” pentru „degresarea” zgurii care plutesc pe oțelul lichid. De buncăre permite adăugarea de produse destinate să constituie sau să modifice zgura.
Zgurile din oțeluri sunt, în general , compuse din var- alumină , pentru oțelurile carbon destinate produselor plate și din siliciu calcar pentru oțelurile carbon destinate produselor lungi. Pentru oțelurile inoxidabile , conținutul ridicat de crom le face nepotrivite pentru a fi utilizate la umplere, dar reciclarea lor internă în oțelărie este avantajoasă din punct de vedere economic.
Compoziții tipice de zgură metalurgică secundară (în% din greutate, la sfârșitul maturării ) | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Tip zgură | FeO / Fe 2 O 3 | MnO | SiO 2 | Al 2 O 3 | CaO | MgO | P 2 O 5 | S |
Oțel calmat din aluminiu (zgură desulfurantă) | 0 | 0 | 10 | 35 | 45 | 10 | 0,1 |
Crusta care se formează pe baia de lipit se numește zgură . Protejează această baie de oxigenul din aer și o izolează termic.
În sudarea cu electrozi acoperiți, acoperirea va crea, prin topire, zgura.
Apoi distingem electrozii în funcție de acoperirea lor:
Când este topită, zgura este o soluție de oxizi. Cele mai frecvente sunt FeO , Fe 2 O 3, Sio 2, Al 2 O 3, CaO , MgO . Unele sulfuri pot fi prezente și acolo, dar prezența varului și aluminei scade solubilitatea acestora.
Geometria moleculară a unei zguri topite pot fi diferențiate în funcție de trei grupe de oxizi: acide, bazice și neutre. Cei mai comuni oxizi acizi sunt silica și alumina. Când acești oxizi sunt topiți, se polimerizează pentru a forma complexe lungi. Zgurile acide sunt astfel foarte vâscoase și, desigur, nu asimilează cu greu oxizii acizi prezenți în metalul topit.
Oxizii bazici, cum ar fi varul sau magnezia, se dizolvă în zgură acidă ca compuși ionici . Acestea împart lanțurile moleculare ale oxizilor acizi în unități mai mici. Zgura devine apoi mai puțin vâscoasă. Asimilarea altor oxizi acizi devine, de asemenea, mai ușoară. Până la o anumită limită, adăugarea oxizilor bazici într-o zgură acidă sau a oxizilor acizi într-o zgură bazică, scade temperatura de topire .
În cele din urmă, oxizii neutri (de fapt ușor acizi), cum ar fi wustita (FeO) sau oxidul de cupru (Cu 2 O), reacționează puțin cu lanțurile de oxid.
În general, conductivitatea electrică variază foarte mult în funcție de temperatură și crește cu basicitatea și conținutul de oxizi de cupru și fier. Tensiunea superficială , depinde mică de temperatura și crește cu aciditate.
Mai multe calități ale zgurii sunt prezente pe piață. Mai întâi le putem clasifica în funcție de originea lor:
De asemenea, le putem clasifica în funcție de modul în care au fost transformate:
Zgura granulată și zgura cu bile sunt produse în general prin pulverizarea apei sub presiune în zgura topită, chiar din furnal. Produsul obținut este un nisip fin și omogen. În cazuri rare, răcirea se face în aer, dar multe dezavantaje (degajare de gaz, zgomot, fibră de sticlă, dimensiunea instalației) limitează această practică.
Zgurile cristalizate se obțin din răcirea prin pulverizarea cu apă a zgurii topite turnate pe sol. Solidificarea și răcirea zgurii duc la crăparea acesteia. Acest proces este primul realizat istoric: necesită doar o groapă de depozitare pentru zgura topită și rampele de udare. Producția sa consumă, de asemenea, doar cantități mici de apă. Cu toate acestea, pentru utilizarea acestui material este necesară zdrobirea secundară. Dezavantajul constă în faptul că acest material prezintă o anumită eterogenitate.
În prezent, tendința zgurilor de furnal este către granulare, eventual cristalizare. Deoarece cantitatea mai mică de zgură produsă de oțelărie nu face rentabilă o fabrică de peletizare sau de peletizare, convertorul , cuptorul electric sau zgură de zale sunt cristalizate.
Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că zgura de oțel, prin prinderea anumitor compuși sau metale grele, poate fi foarte poluantă pentru sol, apă și chiar pentru viața sălbatică dacă este ingerată după răspândire (de exemplu, 23 de bovine - într-o turmă de 98 - au murit în 10 zile în Suedia din otrăvirea acută cu vanadiu rezultată din răspândirea zgurii metalurgice).
Putem defini trei clase principale de utilizare a zgurii:
Zgurile granulate sau cu bile pot dezvolta o reglare hidraulică lentă sub efectul unui activator (clincher sau var). După măcinarea fină ( 3.500 - 4.500 blaines ) cu uscare simultană, își găsesc utilizările ca component principal sau secundar al cimentului.
Aceste așa-numite lapte „GGBS“ ( Ground granulă furnal Zgură adică, zgură de furnal granulată Broye ) intră în compoziția de ciment compuși, clincher și aditivi (zgură, cenușă zburătoare, calcar, etc. ).
Se utilizează sub formă de agregateUtilizarea sub formă de agregate este mai puțin profitabilă decât utilizarea sub formă de liant hidraulic. Cu toate acestea, toate tipurile de zgură cristalizată pot fi utilizate sub formă de agregate.
Utilizarea zgurii de furnal cristalizat este recunoscută în două forme:
În ambele cazuri, observăm utilizarea acestor agregate:
Practica zgurilor electrice este mai recentă, dar o înlocuiește pe cea precedentă din ce în ce mai mult din cauza dispariției treptate a furnalelor și a utilizării din ce în ce mai dezvoltată a zgurii de furnal granulat la sol fie ca componentă a furnalului. adăugarea în beton ca înlocuitor al cimentului. Trebuie să fim atenți la diferitele nume de zgură: sub denumirea de zgură electrică, se pot găsi zguri de buzunar (în care oțelurile sunt rafinate pentru a da nuanțele dorite) care conțin un conținut semnificativ de metale grele. Cu toate acestea, constrângerile actuale de reglementare care reglementează comercializarea acestora garantează sănătatea și inofensivitatea mediului.
Rețineți utilizarea acestor agregate:
Zgura peletată a cunoscut și alte două forme de utilizare în virtutea acestor caracteristici ale unei densități mai favorabile pentru beton.
Utilizarea oțelăriilor cu un convertor de oxigen este încă experimentală și exclusiv în agregate nelegate. Într-adevăr, nu este neobișnuit să se găsească noduli de var care să aibă posibilitatea de hidratare ulterior. Aceasta are ca rezultat umflarea care poate apărea după punerea în aplicare a acestei zgură și care determină deteriorarea căii rutiere.
Mai multe metode sunt folosite pentru a depăși riscul de expansiune a volumului datorat hidratării varului:
În prezent , Puține utilizări ale agregatelor sunt autorizate de către birourile de control. Utilizarea lor este încă foarte mult în contextul siturilor experimentale. Pe de altă parte, aceeași bogăție în var care încetinește utilizarea lor ca agregate, favorizează utilizarea lor ca produs pentru tratarea solului în loc sau ca activator în lianți hidraulici (prEN 13282-2). Această pluralitate de utilizări posibile, în funcție de conținutul de var, justifică din ce în ce mai mult implementarea acestei monitorizări (trasabilitate) la nivel de producție.
Se utilizează ca îngrășământ și pentru modificarea soluluiLorraine Minette , minereu de fier mult sărace și care conțin fosfor , generat o distributie care a trebuit să risipirii Convertor de fosfor Thomas. Zgura convertitoare rezultată, bogată în P 2 O 5, este un îngrășământ excelent . Acidul fosforic găsit acolo este în esență sub formă de fosfat tetracalcic (4CaO.P 2 O 5): măcinarea fină (0/160 µ și un întreg care trece prin rețeaua de 630 µ ) este suficientă pentru a face zgura asimilabilă de vegetație. Solurile nisipoase și acide sunt calcate de zgură bazică și dopate cu fosfor
Deși Sidney Gilchrist Thomas a prezis că „oricât de râsă ar fi ideea, sunt convins că, în final, ținând cont de costurile de producție, oțelul va fi coprodusul , iar fosforul produsul principal” , evaluarea zgurii Thomas a rămas o activitate marginală. Predicția lui Thomas nu s-a împlinit, pe scurt, decât spre sfârșitul celui de-al doilea război mondial .
Dacă zgura de conversie este uneori folosită ca îngrășământ, abandonarea mineralelor bogate în fosfor, cum ar fi minette din Lorena , face acest sector mai puțin atractiv. În cele din urmă, eficacitatea îngrășămintelor moderne eclipsează interesele acestui produs.
Alte utilizăriConținutul ridicat de silice din zgură le face o materie primă pentru fabricarea sticlei . Această utilizare este rezervată pentru cele mai pure zguri granulate, adică furnal. Sunt necesare măsuri de precauție pentru a evita orice poluare (moloz, praf etc.) în timpul depozitării sau transportului.
Producția franceză de agregate de zgură a fost de 2.080.000 de tone în Franța pentru 2005, pentru 51.847.000 de euro, în zece companii.
Producția din 2009 arată o puternică evoluție a utilizărilor:
Volumele utilizate în agregate reprezintă, respectiv:
Această dezvoltare a utilizării lor se datorează în principal:
Lichidul de levigare rezidual (levigat sau percolat) din zgură este foarte alcalin, atingând un pH de 12. Se recomandă, prin urmare, protecție adecvată lucrătorilor expuși în funcție de natura muncii (ochelari de protecție, mănuși, viziere, îmbrăcăminte de protecție ... ).
Riscul de iritare și sensibilizare a metalelor a fost studiat și un articol din 2014, referitor la experimentarea in vitro și in vivo la animale (cobai și iepure albino), arată că laptele din cuptoarele electrice nu este nici coroziv, nici iritant și nu este responsabil pentru sensibilizarea pielii (apariția alergiilor). Concentrațiile de crom hexavalent (CrVI) sunt scăzute și ar fi chiar mai mici decât în ciment.
Prezența carbonatului de calciu (CaCO3) poate provoca pneumoconioză benignă de supraîncărcare cu tatuaje pulmonare (calicoză) fără funcție pulmonară afectată sau predispoziție la cancer sau infecții (tuberculoză).
Silice fără cristal provoacă pneumoconioză malignă ( silicoză ). Temperatură ridicată calcinare a transformatei pământ de diatomee l în dioxid de siliciu foarte fibrogenic ( tridimit și cristobalit ). Cu toate acestea, silicații combinați cu cationi metalici sunt biologic mai puțin reactivi (cu excepția azbestului și talcului). Silica găsită în zgură este sub formă de silicați de var.
Zgurile ca atare sunt considerate nepericuloase, deși monitorizarea medicală a funcției pulmonare (raze X și / sau spirometrie) este recomandată și reevaluată în mod regulat pentru cei care le manipulează. Se pot efectua măsurători biologice (în urina lucrătorilor expuși) și atmosferică (în aerul înconjurător la locul de muncă) ale produselor dăunătoare.
În unele aplicații și formulări, devine periculos. De exemplu, uneori este măcinat și folosit ca aditiv pentru beton . Acest beton „cu un conținut ridicat de zgură măcinată” produce un strat mai rezistent la ioni, apă sărată și foc, mecanic foarte rezistent și care prezintă o amprentă de carbon redusă . Dar activarea sa eliberează hidrogen sulfurat (H2S), foarte toxic. În 2019, a fost introdus pe piață un activator de pulbere, nealcalin, care nu a întârziat setarea și a eliminat producția de H2S, dar necesită o mașină specială de pulverizare (pompă de dozare asociată cu o pompă de beton).
Zgurile sunt surse potențiale de eliberare de metale grele sau, uneori, de radionuclizi.
Uneori, în prezența sulfului și a anumitor bacterii, poate apărea un fenomen autosustenabil de acidifiere puternică a substratului și drenajul acid (sau „drenajul acid al minelor” în contextul sechelelor miniere). Acest fenomen poate fi însoțit de o alterare a zgurii, cu levigare cu eliberare semnificativă de metale toxice care pot fi apoi dispersate în mediu.
Metalele prezente în zgură sau în alți contaminanți adsorbiți în aceeași zgură ( dioxine , furani etc.) pot polua aerul (emisii de vapori în timpul producției, apoi explozii de praf). De asemenea, pot polua apa și solul (prin percolare și desorbție, mai ales dacă apa este acidă și destul de călduță sau fierbinte). Aceste fenomene sunt comparabile cu cele care apar din așa-numitele deșeuri industriale „stabilizate”.
In mod paradoxal, anumite site - uri foarte poluate cu zgură metalurgice au fost clasificate și sunt protejate pentru speciile rare , pe care le adăpostesc (unele specii protejate , cunoscut sub numele de „ metallophytes “ sau „metalloresist“ ) , care este util pentru a conserva , deoarece acestea contribuie - la un într-o anumită măsură - până la fitostabilizarea poluanților care, în prezența lor, sunt mai puțin susceptibili de a fi mobilizați de eroziunea vântului sau a apei. Acesta este cazul, de exemplu, pustietății industriale Mortagne-du-Nord din nordul Franței, inclusiv în Franța din zgura Usinor ca test cu Laboratorul Central din Ponturile și Chausées (LCPC).