Dolomite : techniques de traitement et rôle critique dans l'industrie du fer et de l'acier

Dolomite – Traitement et application dans l'industrie du fer et de l'acier

La dolomite est un minéral carbonaté anhydre. C'est un double carbonate de calcium et magnésium (CaCO₃·MgCO₃). C'est l'une des matières premières importantes pour la production de fer et d'acier.

Théoriquement : 54,35 % CaCO₃, 45,65 % MgCO₃ ou 30,41 % CaO, 21,86 % MgO, 47,73 % CO₂. Dans la nature, proportions exactes rares. Roche contenant 40-45 % MgCO₃ généralement appelée dolomite.

Principales utilisations en sidérurgie : (i) fondant, (ii) protection revêtement réfractaire, (iii) matière première réfractaire. Trois formes : (i) dolomite brute (naturelle), (ii) dolomite calcinée, (iii) dolomite frittée. Comme fondant : brute ou calcinée. Protection réfractaires : calcinée. Matière première réfractaire : frittée. Utilisations et formes (Fig 1).

Traitement de la dolomite

Après extraction, plusieurs traitements. Procédés base : (i) extraction carrière, (ii) préparation par concassage/criblage, (iii) calcination dolomite brute, (iv) hydratation dolomite calcinée pour dolomite hydratée si requis, (v) frittage dolomite pour usage réfractaire, (vi) opérations diverses transfert, stockage, manutention. Tous pas nécessaires dans chaque usine.

Trois types produits dolomite utilisés : (i) produits dolomite brute, (ii) produits dolomite calcinée, (iii) produits dolomite frittée.

Concassage et criblage

À la mine : concassage/criblage séparation fractions taille. En usine sidérurgique, dolomite brute parfois retraitée. Exemple : usine frittage, dolomite brute concassée moulins marteaux -3 mm (85-90 %).

Calcination de la dolomite

Traitement thermique décomposition dolomite brute, élimination LOI/CO₂. Réaction endothermique état solide. Dolomite haute qualité : 40-43 % MgCO₃, 57-60 % CaCO₃. ~2 t dolomite brute pour 1 t dolomite calcinée. CO₂ éliminé → dolomite calcinée : (i) poreuse, (ii) surface spécifique plus élevée, (iii) réactivité élevée, (iv) hygroscopique.

Équation : CaCO₃·MgCO₃ + ~725 kcal = CaO·MgO + 2CO₂

Calcination = tir simple four shaft ou rotatif. Dolomite chargée, décomposée en progressant en deux étapes. 1ère : CO₂ libéré depuis MgCO₃. 2ème : CO₂ libéré depuis CaCO₃. Température décomposition dépend pression partielle CO₂ atmosphère.

Décomposition en deux stades :

• Stade 1 : CaCO₃·MgCO₃ = CaCO₃·MgO + CO₂ (550-700 °C)
• Stade 2 : CaCO₃·MgO = CaO·MgO + CO₂ (810-900 °C)

Pour calcination complète sans cœur résiduel : chaleur surface doit pénétrer par conduction au cœur. 900 °C au cœur nécessaire brièvement (atmosphère interne CO₂ pur). Surface >900 °C pour gradient et surmonter isolation surface calcinée. Mais surface ≤1 100-1 150 °C sinon recristallisation CaO → réactivité moindre, gâchage réduit.

Temps séjour requis transfert chaleur gaz combustion → surface → cœur. Gros morceaux = plus long. Principe : T plus haute = temps réduit. Mais T trop haute = réactivité affectée. Relation T/temps selon taille (Tableau 1).

Tableau 1 : Relation température calcination / temps séjour dolomite
N°	Taille dolomite brute	Température calcination	Temps séjour (approx.)
Unité	mm	°C	Heures
1	50	1000	2,2
		1200	0,75
2	100	1000	8,5
		1200	3

Types de fours calcination

Fours rotatifs ou shaft. Choix selon caractéristiques dolomite brute, production visée, coût combustible, investissement, combustible dispo, conditions locales, infrastructure. Évaluation toutes données (tests labo) avant sélection.

Fours rotatifs (avec/sans préchauffeur) : taille 10-50 mm. Bilan chaleur : pertes gaz ~25 %, pertes paroi ~20 %. ~60 % énergie combustible utilisée (avec préchauffeur).

Four shaft vertical simple : déséquilibre chaleur zone calcination / besoin zone préchauffage. Même idéal : temp gaz résidus >100 °C. Four PFR : meilleure utilisation chaleur zone calcination, minimisation pertes gaz résidus → conso chaleur/t plus faible.

Tableau 2 : Comparatif fours calcination dolomite
Type four	Capacité	Taille calcaire	Conso spé combustible	Conso spé électrique
	t/j	mm	kcal/kg	kWh/t
Four PFR rectangulaire	100-400	30-120	810-870	~20
Four PFR circulaire	300-800	30-160	810-870	~20
Four shaft annulaire	200-600	15-200	910-980	~30
Four shaft simple	50-300	10-100	980-1100	~35
Four rotatif avec préchauffeur	300-1200	10-50	1150-1350	~30
Four rotatif long sans préchauffeur	300-1000	10-50	1600-1700	~20

Frittage de la dolomite

Procédé aussi appelé grillage dolomite brute. Dolomite frittée pour produits réfractaires. Aussi = dolomite morte (dead burned) : chauffage dolomite brute >1 650 °C, de préférence >1 800 °C. Objectif : densité massique spécifique maximale et haute résistance à l'hydratation.

Procédé courant : tir simple four shaft ou rotatif. Dolomite brute chargée, décomposée en deux étapes (CO₂ MgCO₃ ~550 °C, CO₂ CaCO₃ ~810 °C). Après calcination complète, chauffage supplémentaire à température frittage. Porosité matière calcinée réduit → densité massique spécifique accrue → vital pour applications réfractaires. Paramètres types consommation et taille alimentation (Tableau 3).

Tableau 3 : Paramètres types frittage dolomite
N°	Paramètre	Unité	Four vertical haute T	Four rotatif
1	Énergie thermique	kcal/kg	~1200	~2400
2	Énergie électrique	kWh/t	~65	~65
3	Taille alimentation matière brute	mm	10-50	5-50

Performance frittage fortement dépendante de la frittabilité de la dolomite brute, affectée par caractéristiques texturales : composition chimique, pureté, homogénéité, origine, genèse, porosité, structure cristalline. Combustible (cendres combustible solide) influence qualité finale. Dolomite brute haute pureté : qualité satisfaisante souvent seulement avec combustibles solides, impuretés agissant comme « agents de frittage ». Caractéristiques dolomite brute peuvent affecter négativement qualité : densité massique spécifique faible/inhomogène ou mauvaise résistance hydratation. Un paramètre peut restreindre application réfractaire, surtout briques haute qualité. Quasi impossible corriger par modification exploitation four.

Four shaft vertical frittage utilise briquettes dolomite calcinée comme aliment. Fonctionne contre-courant. Enveloppe acier cylindre ~10 m haut, revêtue réfractaires basiques. Briquettes entrent par trémie sommet. Zone préchauffage partie haute : briquettes chauffées ambiant → proche T frittage par contact intensif gaz amont chauds.

Four shaft simple peut atteindre T >2 000 °C au plus bas conso chaleur spécifique pour frittage dolomite réfractaires basiques. Obtenu par : (i) principe contre-courant, (ii) système multi-brûleurs radial spécifique, (iii) table déchargement continue, (iv) système refroidissement produit intégré zone déchargement.

Four shaft haute T satisfait critères qualité tout en respectant exigences coûts production faibles. Concept four permet exploitation stable même capacité réduite. Conception compacte → performance fiable, exploitation continue fluide. Temps séjour court + exposition optimale atmosphère four → dimensions réduites vs taux production spécifiques élevés. Paramètres exploitation et profil T définis facilement ajustables → flexibilité élevée. Combiné conso chaleur spécifique faible + coûts exploitation/investissement faibles.

Application dolomite en réduction fer et aciérie

Production fer par HF : dolomite ajoutée soit frittage, soit alimentation directe HF. Dolomite brute normalement utilisée. Ajout pour % MgO désiré laitier HF. Via frittage préféré : CO₂ dolomite éliminé pendant frittage. Frittage : dolomite concassée -3 mm (85-90 %) broyeurs marteaux avant mélange frittage. Alimentation directe HF : dolomite en blocs 10-30 mm.

Ajout via frittage : dolomite calcinée aussi utilisée directement. Avantages : (i) amélioration caractéristiques liant mélange frittage, (ii) productivité machine frittage, (iii) résistance frittage, (iv) réduction volume gaz échappement + avantages.

Haute teneur SiO₂ dolomite frittage préférée : SiO₂ contrebalance Al₂O₃ au HF.

Production FRD four rotatif : dolomite agent désulfuration. Dolomite brute 4-8 mm.

Deuxième usage majeur : aciérie. Dolomite utilisée comme fondant ET matière réfractaire. Pour aciérie : SiO₂ (acide) très faible, de préférence <1 %. Comme fondant : forme calcinée. Double rôle : (1) source chaux (CaO) → réduit conso chaux vive. (2) RÔLE PLUS IMPORTANT : protéger revêtement magnésio-carbone du convertisseur. En faisant laitier aciérie supersaturé en MgO à T aciérie.

Aujourd'hui technologie projection laitier (slag splashing) utilisée massivement pour augmenter durée vie revêtement convertisseur BOF. Dolomite calcinée ajoutée au laitier liquide retenu pour projection sur convertisseur. Augmente viscosité laitier → meilleures propriétés adhérence + réfractarité laitier.

Dolomite calcinée de plus en plus utilisée dans laitiers synthétiques ajoutés en métallurgie de poche. Protège revêtement poche surtout ligne laitier.

Comme matière réfractaire : forme dolomite frittée. Briques dolomite goudron, imprégnées brai, résine pour revêtement convertisseur BOF, convertisseur AOD (décarburation argon-oxygène), four à arc électrique (moindre). Aussi pour revêtement poches acier.

Réfractaires monolithiques base dolomite (mélanges gunning) pour maintenance réfractaires fours aciérie. Gunning zones forte usure. Aussi pour former sole et banquettes four arc, maintenance régulière entre chaufes. Maintenance souvent par dolomite frittée haute teneur fer, appliquée fréquemment entre chaufes par machine centrifuge. Machine abaissée dans four, applique plusieurs tonnes matériau fettling en quelques minutes. Solution rapide, bas coût, surtout zones usure rapide réfractaires.