Granulés de minerai de fer et granulation : Aperçu complet et guide du procédé

Introduction aux granulés de minerai de fer et aux procédés de granulation

La granulation est un procédé qui consiste à mélanger des particules très finement broyées de minerai de fer (fines) de taille inférieure à 200 mesh (0,074 mm) avec des additifs comme la bentonite, puis à les façonner en boules quasi ovales/sphériques de 8 à 16 mm de diamètre par un granulateur, et à durcir ces boules par cuisson avec un combustible. C'est un processus d'agglomération convertissant les fines de minerai de fer en « granulés de minerai de fer de taille uniforme » pouvant être chargés directement dans un haut fourneau (HF) ou dans un four vertical ou un four rotatif utilisés pour la production de fer réduit direct (FRD/DRI). Les granulés de minerai de fer sont présentés Fig. 1.

Propriétés typiques des granulés de minerai de fer

Tableau 1 : Propriétés typiques des granulés de minerai de fer
Analyse chimique (base sèche)	Unité	Valeur	Tolérance
Fe	%	65	Minimum
FeO	%	0,3	Maximum
SiO₂ + Al₂O₃	%	5	Maximum
CaO	%	0,03	± 0,01
MgO	%	0,06	± 0,01
Basicité	%	65	Maximum
Phosphore	%	0,05	Maximum
Propriétés physiques
Densité apparente	t/m³	2,2	± 0,2
Indice de tumbler	%	93	Minimum
Indice d'abrasion	%	3	Min ± 0,5 %
Résistance à l'écrasement à froid (moy.)	kg/p	250	Minimum
Analyse granulométrique
8 – 16 mm	%	94	Minimum
-5 mm	%	2	Maximum
+16 mm	%	4	Maximum
Propriétés métallurgiques
Porosité	%	18	Minimum
Réductibilité	%	62	Minimum

Technologie du procédé

La production de granulés de minerai de fer comprend quatre étapes :

1. Préparation des matières premières
2. Formation des boules vertes (green balls) ou granulés
3. Frittage (induration) des granulés
4. Refroidissement, stockage et transport des granulés

Préparation des matières premières

Le concentré de minerai de fer issu de l'usine d'enrichissement est séché et chauffé à environ 120 °C. Le matériau séché est envoyé au broyeur à boulets pour le broyage. Un concentré/minerai broyé de taille typique 80 % < 45 µm (0,045 mm) avec une teneur en humidité d'environ 9 % est requis. Un liant approprié (généralement bentonite) est ajouté au concentré et mélangé dans un mélangeur haute intensité.

Formation des boules vertes

Les boules vertes de 8 à 16 mm sont préparées dans un tambour de boulage ou un granulateur à disque. Le granulateur à disque est privilégié pour la qualité car il permet un contrôle facile de l'opération avec une emprise au sol minimale. C'est un plateau incliné de 5 à 7,5 m de diamètre, tournant à 6-8 tr/min, incliné à 45° (ajustable hors ligne entre 45° et 49°).

Le mélange pré-humidifié est alimenté à débit contrôlé. Dans le disque, le matériau s'agglomère et, par le mouvement rotatif continu, forme des nodules/granulés. Les fines sont soulevées jusqu'à ce que la gravité l'emporte sur la friction, puis roulent vers le bas. Cette action forme d'abord de petits granulés (graines). La croissance se poursuit par ajout de matière fraîche et collisions. À mesure qu'ils grandissent, les granulés migrent vers la périphérie et le sommet du lit, jusqu'à déborder. La croissance est contrôlée par la quantité d'eau pulvérisée et la vitesse de rotation. Ces granulés sont dits « verts » car ils n'ont pas encore la résistance requise. Ils sont ensuite criblés sur crible à rouleaux et la fraction calibrée alimente le gril voyageur de la machine de granulation.

Les forces agissant sur les particules sont la tension superficielle de l'eau, l'action capillaire et la force gravitationnelle dans le disque. Elles provoquent la coalescence en noyaux qui grossissent en boules. Lorsque les particules solides contactent l'eau, la surface est mouillée et enduite d'un film d'eau. La tension superficielle forme des ponts liquides. Le mouvement des particules et la combinaison de gouttelettes d'eau contenant des grains de minerai provoquent l'agglomération initiale (formation de graines). Les ponts liquides à l'intérieur maintiennent les particules en réseau. Avec plus d'eau, les agglomérats se condensent et se densifient. Les forces capillaires dominent cette phase. L'optimum est atteint quand tous les pores sont remplis de liquide. Lorsque les particules sont entièrement enrobées d'eau, la tension superficielle domine. Le mouvement de roulement et le déplacement relatif des grains jouent aussi un rôle important.

Frittage (Induration)

Le frittage durcit thermiquement les boules vertes. Il comprend trois étapes principales :

• Séchage (180-350 °C) : évaporation de l'humidité. L'humidité de surface et interstitielle s'évapore à basse température ; l'eau chimiquement combinée (goethite, limonite) ou hydrates/hydroxydes la perdent à température légèrement plus élevée.
• Préchauffage (500-1 100 °C) : décomposition des carbonates et hydrates. Gazéification des combustibles solides (charbon, coke) et conversion des oxydes de fer (goethite, sidérite, magnétite) en hématite (oxyde supérieur). Début de liaison par oxydes solides et croissance des grains.
• Cuisson (1 250-1 340 °C) : température sous le point de fusion de la phase oxyde majeure mais dans la plage de réactivité des gangues et additifs. Formation de liaisons par oxydes et scories.

La liaison des grains minéraux lors du frittage est affectée par trois facteurs :

• Liaison par oxydes solides : oxydation des oxydes ferreux en oxydes ferriques, créant des ponts de liaison limités.
• Recristallisation des oxydes de fer : processus physique où des particules plus petites se consolident en plus grosses avec perte d'énergie de surface. La croissance continue des cristaux d'oxydes de fer confère une résistance suffisante. La croissance des grains d'hématite commence vers 1 100 °C.
• Liaison par scories : la gangue forme un milieu de transport fondu pour les oxydes ferreux/ferriques, facilitant la croissance des grains et la cristallisation, et permettant le mécanisme à des températures plus basses.

Le traitement de frittage provoque des réactions chimiques modifiant les propriétés métallurgiques : oxydation de la magnétite, déshydratation de l'hématite terreuse. Pour la qualité HF, des granulés fluxés sont produits avec additions de calcaire, dolomite, silice, etc. à l'alimentation du boulage. Ces additions réagissent avec la gangue pour améliorer les performances en aval.

Refroidissement et manutention des granulés

Les granulés sont refroidis et criblés après frittage. Les sur-dimensionnés sont concassés et renvoyés avec les sous-dimensionnés aux silos de stockage pour retraitement. Les granulés refroidis sont expédiés vers les usines aval.

Procédés de granulation

Plusieurs technologies existent : (i) four à shaft, (ii) gril voyageur droit (STG), (iii) gril-four (GK), (iv) procédés à liant ciment (Grangcold, MIS Grangcold, char), (v) procédés hydrothermaux (COBO, MTU, INDESCO). Actuellement, seuls le gril voyageur droit (STG) et le gril-four (GK) sont prédominants.

Procédé à gril voyageur droit (STG)

Développé par l'ex-Lurgi Metallurgie, il représente la majeure partie des capacités mondiales. Un double crible à rouleaux assure la bonne taille (8-16 mm) répartie uniformément sur la largeur du gril. Le gril transporte les boules vertes sur un lit de 300-550 mm à travers un four à plusieurs zones : updrafting, séchage downdraft, préchauffage, cuisson, post-cuisson, chauffage. Le diagramme de flux est Fig. 2.

Procédé gril-four (GK)

Développé par l'ex-Allis Chalmers, première usine en 1960. Le gril voyageur sèche et préchauffe les granulés jusqu'à 800-1 000 °C. Puis transfert vers un four rotatif réfractaire pour frittage à 1 250-1 300 °C. À 800 °C, le FeO de la magnétite se convertit en Fe₂O₃ (réaction exothermique), durcissant les boules vertes pour résister aux chocs dans le four rotatif. Un refroidisseur circulaire refroidit les granulés frittés. Le diagramme de flux est Fig. 3.

Comparaison STG vs GK

Tableau 2 : Comparaison STG vs GK
N°	Gril voyageur droit (STG)	Gril-four (GK)
1	Séchage, préchauffage, frittage, refroidissement en une seule unité	Opérations dans unités distinctes
2	Boules vertes non perturbées pendant le procédé	Transfert entre gril, four rotatif, refroidisseur circulaire
3	Vitesse identique dans toutes zones ; perturbation dans une zone affecte les autres	Contrôle indépendant des trois zones ; meilleure flexibilité opérationnelle
4	Génération de fines négligeable (pas de transfert)	Génération de fines plus élevée (transferts multiples)
5	Aucune exigence de résistance du produit intermédiaire	Boules vertes doivent être suffisamment durcies avant transfert au four
6	Disponibilité du procédé plus élevée	Disponibilité plus faible
7	Consommation énergétique spécifique plus élevée	Consommation énergétique spécifique plus faible
8	Maintenance moindre	Maintenance plus élevée
9	Génération de poussières plus faible	Génération de poussières plus élevée
10	Coût d'investissement plus élevé	Coût d'investissement plus faible
11	Adapté hématite et magnétite	Plus adapté magnétite

Avantages des granulés

• Meilleur indice de tumbler que le minerai de fer brut ; substitut aux blocs de minerai pour HF et FRD.
• Bonne réductibilité grâce à haute porosité (25-30 %) ; réduction plus rapide que sinter et blocs. Porosité favorable à la métallisation en FRD.
• Taille uniforme (8-16 mm).
• Forme sphérique et pores ouverts → bonne perméabilité du lit.
• Faible angle de repos (inconvénient : distribution inégale du liant).
• Analyse chimique uniforme (contrôlée pendant l'enrichissement). Fe 63-68 %. Absence de perte au feu (LOI).
• Résistance mécanique élevée et uniforme ; transport longue distance sans génération de fines. Résistance à la désintégration même sous contrainte thermique en atmosphère réductrice.