Récupération du fer et du zinc dans les poussières de fours à arc électrique par voies minéralurgiques

Recovery of Fe and Zn from electric arc furnaces dust by mineral processing techniques

• Auteur / Autrice : Claudia johana Beltran parada
• Direction : Ndue Kanari, Yann Foucaud
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le 11/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Valorisation des ressources et des résidus (Axe Matières Premières)

Mots clés

Mots clés libres

Poussière de four à arc électrique

Fer

Zinc

Récupération

Electric arc furnace dust

Iron

Zinc

Recycling

Résumé

ArcelorMittal vise à réduire ses émissions de CO2 de 25 % en 2030 en se concentrant sur les secteurs de production de l'acier. Dans ce contexte, la plupart des usines sidérurgiques européennes utiliseront le procédé des fours à arc électrique (FÉA), qui occupera une place centrale dans l'industrie sidérurgique. Actuellement, les poussières de four électrique à arc (EAFD) sont traitées à l'aide de procédés très consommateurs d'énergie pour produire de l'oxyde de zinc. Les traitements hydrométallurgiques sont inefficaces sur la principale espèce minérale zincifère contenue dans ces poussières, la franklinite (ZnFe2O4), et les procédés ne permettent pas, aujourd'hui, de récupérer le fer contenu dans les EAFD, ce qui se traduit inévitablement par une perte de fer pour ArcelorMittal. L'objectif de ce projet de recherche est le développement d'un procédé environnemental et économique viable de valorisation des EAFD qui conduirait à la production d'un concentré riche en fer et d'un concentré riche en zinc. Pour ce faire, nous proposons, après une caractérisation approfondie des EAFD, d'étudier la séparation de la franklinite par l'utilisation de techniques de traitement minéral, principalement la séparation magnétique et la flottation par mousse, éventuellement combinées à l'hydrométallurgie et à l'électrochimie pour la purification des concentrés obtenus. Des additifs modulant les propriétés de surface, tels que des activateurs, des dépresseurs et des collecteurs, seront utilisés et optimisés en termes de types de molécules et de dosages afin de maximiser le contraste de mouillabilité entre les différents minéraux, ce qui permettra leur séparation par flottation par mousse. Cependant, comme les particules ultrafines (< 10 μm) telles que l'EAFD ne peuvent généralement pas être traitées par flottation en raison de leur très faible taille, une étape de floculation avant la flottation permettra d'utiliser la flottation par mousse pour les traiter en augmentant la taille apparente des particules. Ce domaine constitue aujourd'hui un axe majeur de recherche et d'innovation pour la flottation. Cependant, les réactifs de floculation ainsi que les conditions physico-chimiques doivent être optimisés pour maximiser l'efficacité et la sélectivité de l'étape de floculation. L'adaptation de la flottation et des réactifs de floculation pour maximiser le contraste de séparation entre les phases minéralogiques, ainsi que l'adaptation du régime hydrodynamique seront les deux leviers pour parvenir à une séparation efficace entre les fractions de zinc et les fractions ferrifères. Des études physico-chimiques fondamentales seront également entreprises pour mieux comprendre les mécanismes d'adsorption et la sélectivité des réactifs. Les meilleurs concentrés seront, ensuite et si nécessaire, traités par hydrométallurgie et/ou électrolyse afin d'obtenir un concentré riche en zinc récupérable dans les industries du zinc et un concentré riche en fer pouvant réintégrer l'industrie sidérurgique. Les tests seront effectués dans les centres de recherche d'ArcelorMittal et de GeoRessources en laboratoire et à l'échelle pilote.

ArcelorMittal aims at reducing its CO2 emissions by 25% in 2030 by focusing on steel production sectors. In this context, most European iron plants will operate electric arc furnaces (EAF) process, which will occupy a central place in the iron industry. Currently, EAF dust (EAFD) is processed using very energy-consuming processes to produce zinc oxide. Hydrometallurgical treatments are ineffective on the main zinciferous mineral species contained in these dusts, franklinite (ZnFe2O4), and the processes do not allow, today, to recover the iron contained in the EAFD, which inevitably results in a loss of iron for ArcelorMittal. The objective of this research project is the development of a viable environmental and economic process for the valorization of EAFD that would lead to the production of an iron-rich concentrate and a zinc-rich concentrate. For this, we propose, after a thorough characterization of the EAFD, to study the separation of franklinite by the use of mineral processing techniques, mainly magnetic separation and froth flotation, possibly combined with hydrometallurgy and electrochemistry for the purification of the concentrates obtained. Additives modulating surface properties such as activators, depressants, and collectors will be used and optimized in terms of molecule types and dosages to maximize the wettability contrast between different minerals, which shall allow their separation by froth flotation. However, since ultrafine particles (< 10 μm) such as the EAFD can generally not be processed by flotation due to their very low size, a flocculation stage before flotation will enable the use of froth flotation to process them by increasing the apparent size of the particles. This field constitutes a major avenue of research and innovation for flotation. However, the flocculation reagents along with the physicochemical conditions should be optimized to maximize the efficiency and the selectivity of the flocculation stage. The adaptation of the flotation and the flocculation reagents to maximize the separation contrast between the mineralogical phases, as well as the adaptation of the hydrodynamic regime will be the two levers to achieve an effective separation between the zinc and ferriferous fractions. Fundamental physicochemical investigations will also be undertaken to bring insights into the adsorption mechanisms and the selectivity of the reagents. The best concentrates will, then and if necessary, be treated by hydrometallurgy and/or electrolysis to obtain a concentrate rich in zinc recoverable in zinc industries and a concentrate rich in iron that can reintegrate the steel industry. The tests will be carried out at ArcelorMittal's and GeoRessources research centers at laboratory and pilot scales.