En France, les crassiers sidérurgiques renfermeraient plus de 35 millions de tonnes de laitiers. Si la plupart sont valorisables, une partie issue de la filière électrique finit en stockage. Leur teneur en éléments métalliques empêche leur valorisation, en raison de leur toxicité. Mais la pression réglementaire et environnementale fait évoluer les pratiques. Parmi les travaux de R&D en cours, le projet Hypass est porté par Mines Saint-Etienne, le BRGM et Industeel ArcelorMittal. L’objectif : donner une seconde vie aux laitiers non valorisables pour réduire les risques de pollution et libérer du foncier.

Une vingtaine d’usines sidérurgiques sont en activité en France. Les aciers issus de haut-fourneaux ou de la filière électrique, génèrent lors de leur fabrication, des résidus appelés laitiers. Le minerai de fer ou les ferrailles sont chauffés à haute température. Une phase résiduelle plus claire se forme à la surface, à l’image du « petit lait ». Lorsqu’elle est refroidie, cette roche artificielle, le laitier sidérurgique est valorisé ou stocké sur des espaces nommés crassiers qui peuvent couvrir plusieurs hectares et plusieurs mètres de profondeur selon l’ancienneté. Chaque année, on en produit un total d’environ cinq millions de tonnes. Selon leur origine, ces laitiers ont une composition différente. Les filières dites intégrées (incluant haut-fourneau et convertisseur) produisent 4 millions de tonnes de laitiers valorisables et valorisées. Les applications sont multiples : cimenteries, techniques routières, verreries. L’autre production de laitiers est issue de la filière électrique (carbone, inoxydable et alliés). Elle est en partie stockée. La teneur en composés métalliques (chrome, molybdène, tungstène, zinc etc.) empêche une valorisation simple comme matériau inerte. Outre la production fraîche, la sidérurgie française hérite également de laitiers historiques accumulés dans des crassiers depuis des décennies. On chiffre ainsi l’ensemble de ces matières à plus de 35 millions de tonnes, dont sept millions de tonnes environ générées par la filière électrique.

« Depuis une dizaine d’années, la législation pousse les industriels non seulement à valoriser leur production fraîche de laitiers mais également à déstocker leur crassier historique. Les enjeux sont devenus importants pour ce secteur : le stockage interne sur site est limité à trois ans de production de laitiers et les Dreal veillent au respect de ces seuils » explique Jérémie Domas, délégué général du CTPL. Le Centre technique de promotion des laitiers représente 95 % des sites sidérurgiques français. Son rôle : échanger et diffuser des informations sur le traitement des laitiers, participer à des projets nationaux et européens, et quand cela est possible, à des programmes de caractérisation. Les risques de pollution d’une part et les contraintes foncières d’autre part expliquent le déploiement de plusieurs projets en France et en Europe dans ce secteur. Pour autant, l’industrie n’a pas encore totalement franchi le cap. Elle veut avant tout un retour sur investissement garanti par des débouchés à forte valeur ajoutée.

De Harsco à Industeel

Le projet Hypass (HYdrometallurgy and Phyto Management Approaches for Steel Slag management), démarré en 2018, pourra peut-être y répondre. Lancé par l’Ecole des Mines de Saint-Etienne et le BRGM, ce projet vise une démarche technologique innovante pour récupérer les métaux d’intérêt stratégique contenus dans la matrice minérale des laitiers, et pour mieux gérer les anciens « crassiers » sidérurgiques, sur le plan économique et environnemental. La méthodologie du projet a été mise en œuvre sur le crassier métallurgique de Châteauneuf (Loire), appartenant à Industeel, filiale d’ArcelorMittal. Ingénieur de Recherche en procédés hydrométallurgiques à l’école des Mines de Saint-Etienne, et coordinateur du projet Hypass, Fernando Pereira a commencé à explorer avec succès la voie hydrométallurgique sur des laitiers en 2014, à la demande de la société canadienne Harsco en vue de traiter les crassiers de Layat et Dorian sur la commune de Firminy (Loire).

Le projet n’ayant pas abouti, Fernando Pereira a pu mettre son expérience quelques années plus tard au service d’ArcelorMittal à Châteauneuf pour traiter environ cinq hectares de crassier historique. Poussée par la Dreal en raison de dépôts non réglementaires de laitiers, la filiale Industeel avait sollicité l’Ademe puis l’école des Mines de Saint-Etienne pour trouver des solutions de stabilisation des crassiers par les plantes. Dans le cadre de ce projet appelé Physafimm, Fernando Pereira est venu prêté main forte pour travailler sur des pistes de valorisation des laitiers. C’est ainsi que le projet Hypass a vu le jour. Le laitier concerné ici est un « Laitier d’Aciérie de Four Électrique » (LAFE), issu directement des fours à arc électrique du site, et non du crassier historique. « Pour travailler sur des procédés hydrométallurgiques, il nous fallait des échantillons homogènes, explique Fernando Pereira. Les crassiers selon leur ancienneté et les campagne de production, peuvent avoir une composition différente  intégrer des teneurs allant de 1 à 4 % de chrome ».

Hydrométallurgie et phytostabilisation

Financé par l’ANR et labellisé par le pôle de compétitivité Chimie et Environnement Axelera, Hypass a travaillé sur quatre axes : la caractérisation des stocks existants de laitiers, l’extraction des ressources métalliques, la réalisation d’analyses de cycle de vie pour les différentes méthodes de valorisation et la construction d’un outil d’aide à la décision pour les industriels. Deux types de traitement ont été réalisés : l’hydrométallurgie opérée en laboratoire pour séparer les métaux stratégiques (chrome, molybdène, tungstène etc.) ; la phytostabilisation directement sur site pour stimuler la restauration écologique des « crassiers » historiques. Le sol des crassiers très basique ne possède pas de matière organique et a une faible rétention d’eau de pluie. Mais il intègre une forte toxicité, lié à la présence de la forme spécifique du chrome, dite chrome VI. Pour lever ces obstacles, le doctorant Mathieu Scattolin* en charge du volet phytostabilisation a choisi d’inoculer dans le sol une espèce de champignons, Rhizophagus irregularis, avec les plantes. Résultats obtenus : une colonisation relativement rapide des systèmes racinaires, un enrichissement du sol en matière organique et une réduction de la pollution aux métaux lourds.

Le procédé hydrométallurgique, développé à l’échelle du laboratoire, a consisté en plusieurs étapes : déferraillage du laitier par séparation magnétique basse intensité en voie sèche ; réduction de la taille des particules par concassage/broyage ; activation du laitier par co-broyage en présence de réactifs basiques ; formation des phases solubles dans l’eau par grillage à l’air ; lixiviation des métaux de valeur. Après lixiviation à l’eau, les meilleurs rendements de lixiviation  ont été observés à plus de 97 % pour le chrome lors de l’étape de co-broyage et de grillage à 800 °C et à 96,3% pour le molybdène en milieu KOH (hydroxyde de potassium) à 800 °C.

L’enjeu ici était d’opérer en mode sélectif sans dégrader la matrice minérale, explique Nourredine Menad, Expert scientifique à l’unité Déchets et Matières Premières du BRGM. Celui-ci connaît le sujet, ayant intégré en qualité de partenaire, le projet européen Chromic. Financé par la Commission Européenne, ce projet H2020 s’est achevé fin 2020 avec pour ambition, d’étudier des procédés innovants pour récupérer les métaux contenus dans les laitiers sidérurgiques (chrome, vanadium, molybdène et niobium), tout en développant une filière pérenne de valorisation de la matrice résiduelle.

« L’industrie doit prendre le relais »

A ce jour, le projet Hypass ayant pris un peu de retard à cause du Covid, devrait se poursuivre jusqu’à la fin de cette année. Au programme pour les mois à venir, un suivi de la cinétique de lixiviation est envisagé pour minimiser le temps de lixiviation des métaux. Des essais de capture des oxydes métalliques, ainsi que de technologie micro-onde (pour vérifier s’il est possible de s’affranchir de l’étape de grillage, particulièrement gourmande en énergie) sont également en cours de développement au sein du BRGM. Depuis le lancement des travaux, l’ensemble des opérations concernant le traitement ont été menées en fonction de l’efficacité des techniques, mais également en tenant compte des aspects économiques. Selon le coordinateur du projet, certains procédés peuvent en effet se révéler particulièrement coûteux à l’échelle industrielle : « ce qui coûte le plus cher, ce n’est pas tant l’utilisation des divers réactifs lors de l’étape de lixiviation, mais les étapes préalables de broyage et de grillage (en particulier la montée en température afin de rendre les oxydes métalliques plus solubles), car elles requièrent des coûts énergétiques élevés ».

Basculement dans dix ans

L’objectif final est non seulement de savoir valoriser les deux fractions du laitier dans des applications à forte valeur ajoutée, insiste Fernando Pereira, mais aussi de pouvoir appliquer la méthodologie et les traitements sur différents sites. Grâce à l’hydrométallurgie, les métaux extraits de la fraction minérale pourraient intégrer l’industrie chimique (catalyseurs, pigments), les énergies nouvelles (photovoltaïques) ou la refabrication d’acier. « Les industriels doivent maintenant prendre le relais de nos travaux en devenant partenaires ou en finançant eux mêmes des projets de R&D, souligne le scientifique, sous réserve que le bénéficie économique soit au rendez-vous ». Au CTPL, le projet est jugé intéressant même si du point de vue économique, la prudence reste de mise. « Si le coût de traitement revient à 500 euros la tonne, les sites sidérurgiques auront du mal à suivre. D’autant plus que les gisements concernés ne sont pas les plus importants, moins de 500 000 tonnes. Les industriels s’efforcent aujourd’hui de valoriser au maximum leurs laitiers frais, en plus des crassiers. On peut dès lors estimer que chaque année, cela correspond au traitement d’environ six millions de tonnes de laitiers » souligne Jérémie Domas. Le déstockage progressif pourrait ainsi s’échelonner encore sur une quinzaine d’années.

Le projet Hypass ne devrait pas s’arrêter en si bon chemin. « Notre ambition est de le rendre attractif aux yeux des grands groupes comme ArcelorMittal et de passer à l’étape suivante : élargir le champ d’action à travers des pilotes européens » ajoute Fernando Pereira. Un outil d’aide à la décision est également en cours pour comparer différents scénarios de gestion des crassiers sidérurgiques. Le chercheur précise que « cet outil va permettre de comparer et de choisir des scénarios de gestion de laitiers sidérurgiques sur la base de critères d’impacts environnementaux, de coûts financiers et de services écosystémiques ». L’hydrométallurgie avance pas à pas depuis une trentaine d’années. Progressivement, l’intérêt de ces procédés physico-chimiques est mieux perçu pour valoriser les faibles teneurs en métaux contenus dans certains gisements de déchets. Mais l’expérience des scientifiques aux manettes de ce type de projet montre bien qu’il faut faire preuve de patience. Les enjeux économiques, environnementaux et sociétaux sont connus de l’industrie, de la société civile et des Etats. « Pourtant, convient Fernando Pereira, nous devons garder à l’esprit que cette démarche représente un changement radical pour l’activité sidérurgique ». Et accepter que le basculement à l’échelle industrielle ne verra pas le jour avant dix ans, si tout va bien.

– Mathieu Scattolin a soutenu sa thèse de doctorat Mines Saint-Etienne en décembre 2020 sur le thème : « La phytostabilisation des laitiers d’aciéries : rôle du pH, des champignons mycorhiziens et des bactéries rhizosphériques ».

Les laitiers en chiffres :

Les statistiques 2019 du CTPL sur les laitiers de haut-fourneau font état d’une production de trois millions de tonnes, quantité stable par rapport aux deux années précédentes. Les sites générant des laitiers de haut-fourneau se trouvent à Dunkerque (59), Fos-sur-Mer (13) s’agissant des sites ArcelorMittal et à Pont-à-Mousson (54) pour Saint-Gobain. Ces laitiers sous forme de granulés vitrifiés servent à la fabrication des ciments et des liants hydrauliques routiers (LHR). Sous forme de granulats cristallisés, ils sont utilisés en couches de chaussées, dans les graves-laitier ou pour la fabrication de produits de construction.

Les laitiers d’aciérie provenant de la filière électrique notamment concernent une vingtaine de sites en France. Selon les dernières données enregistrées par le CTPL, en 2019, ces laitiers ont été produits à hauteur de 1,7 million de tonnes, un volume stable par rapport à 2018. Dans le détail, il s’agit de laitiers d’aciérie de conversion (66%), d’aciérie électrique « carbone » (23%) et d’aciérie électrique « Inox & Alliés » (11%). La plupart des laitiers frais trouvent des solutions de valorisation en travaux publics, tandis que les stocks historiques sur les sites ont progressé de 3 % ( à 17,8 millions de tonnes). Cette hausse concerne indifféremment tous les types
de laitiers.

Crédit :

CTPL, Hypass

A lire aussi :

ArcelorMittal Dunkerque investit pour l’environnement

Regeneratis reconvertit les friches sidérurgiques