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Rapport Final sur la Gestion de la Ferraille, Le Tri et la Classification de l’acier

A. Javaid et E. Essadiqi

Rapport no 2005-43(CF)

Mars 2006

Recyclage amélioré – Programme des minéraux et des métaux du Plan d’action 2000 sur le changement climatique — Dans le cadre du Plan d’action 2000 du gouvernement du

Canada sur le changement climatique, le Programme des minéraux et des métaux, qui est administré par le secteur des minéraux et des métaux de Ressources naturelles Canada, vise

à réduire les émissions canadiennes de gaz à effet de serre (GES) dans ce secteur. En contribuant financièrement la même valeur que les fonds fournis par d’autres partenaires, le Programme soutient des activités qui améliorent les pratiques de recyclage et réduisent les

émissions de GES.

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Avertissement :

Ressources naturelles Canada ne fait aucune représentation et ne donne aucune garantie quant au contenu du présent rapport, expresse ou tacite, découlant de la loi ou d’autres sources, en ce qui concerne entre autres les garanties tacites ou les conditions de commercialité ou leur pertinence aux fins d’un usage particulier.

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LABORATOIRE DE LA TECHNOLOGIE DES MATÉRIAUX

RAPPORT LTM 2003-23(CF)

RAPPORT FINAL SUR LA GESTION DE LA FERRAILLE, LE TRI ET LA CLASSIFICATION DE L’ACIER

par

A. Javaid et E. Essadiqi

INTRODUCTION

Le fer et l’acier sont toujours les métaux les plus utilisés par l’industrie automobile et les autres industries de transport ainsi que par les secteurs du matériel agricole ou industriel, du bâtiment et de la construction, des hydrocarbures, de la défense, de la machinerie et des biens de grande consommation. À eux seuls, les secteurs de l’automobile, de la construction et des hydrocarbures représentent environ 70 % de la demande canadienne d’acier. Le fer et l’acier offrent de nombreux avantages, tels que résistance élevée, facilité de fabrication, facilité de recyclage, disponibilité et coût relativement faible. La production mondiale d’acier brut, selon les données émanant des 63 pays qui communiquent des renseignements à l’International Iron and Steel Institute, a établi un record avec le volume le plus élevé jamais enregistré pour février, soit 71,1 millions de tonnes métriques1. Cela représente une augmentation de 7,5 % par rapport aux résultats pour février 2002. La production d’acier brut en Amérique du Nord a été de 9,7 millions de tonnes en février, soit une augmentation de 4,7 % par rapport à la même période en 2002. Le marché nord-américain de l’acier représente plus de 18 % de la demande mondiale. Du marché total à l’échelle du continent, les États-Unis représentent environ 84 %, le Canada, 11 % et le Mexique, 5 %.

L’acier était recyclé depuis longtemps lorsqu’on a commencé à se préoccuper de l’environnement. Son élaboration suit deux routes fondamentales :

1. À partir de matières premières, notamment le minerai de fer, la castine et le coke ainsi que l’acier recyclé, dans un haut fourneau (HF) ou un convertisseur basique à oxygène (CBO); et

2. À partir d’acier recyclé, par la méthode du four électrique à arc (FEA).

L’industrie de l’acier de première fusion comprend des aciéries intégrées qui produisent du fer et de l’acier à partir de minerais, tout en utilisant également un certain volume de ferraille. Avec le procédé CBO, on utilise au moins 25 % d’acier recyclé. L’industrie de l’acier de seconde fusion, c.-à-d. ce qu’on appelle les « mini-aciéries », utilise le FEA pour produire de l’acier à partir de déchets métalliques, un procédé selon lequel la matière utilisée est à toutes fins pratiques de

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l’acier recyclé à 100 %. Le recyclage de la ferraille joue un rôle important dans la conservation d’énergie parce que la refonte de déchets métalliques est beaucoup moins énergivore que la fabrication de produits de fer ou d’acier à partir du minerai. Le recyclage d’une tonne d’acier permet de conserver 2500 livres de minerai de fer, 1400 livres de charbon et 120 livres de castine2. En outre, la refonte de déchets de fer et d’acier réduit le fardeau des décharges contrôlées et prévient l’accumulation de produits d’acier abandonnés dans l’environnement. La production d’acier à partir d’une charge de ferraille exigerait 74 % moins d’énergie que celle à partir de minerai vierge et réduirait de 64 % les émissions de CO2 préjudiciables à l’environnement2. L’utilisation de ferraille recyclée dans la fabrication de l’acier selon le procédé FEA et, dans une moindre mesure, par les aciéries intégrées a connu une augmentation sous l’effet des forces économiques visant à améliorer l’efficience du traitement et de la production, de même que sous celui des forces législatives liées au développement durable et aux préoccupations écologiques.

RECYCLAGE ACTUEL DE L’ACIER

Dans l’industrie de l’acier, le cycle du recyclage est bien établi et l’utilisation de la ferraille recyclée a augmenté de façon importante. On prévoit que la tendance prendra de l’ampleur à cause de la disponibilité accrue de déchets métalliques automobiles bon marché. L’acier est le matériau le plus recyclé, aussi bien dans le monde qu’en Amérique du Nord. L’industrie nord-américaine de l’acier recycle chaque année des millions de tonnes de déchets provenant de boîtes en fer blanc, d’automobiles, d’appareils électroménagers, de matériaux de construction et des autres produits d’acier recyclés. Sur le continent, le taux moyen de recyclage a dépassé 50 % depuis la Seconde Guerre mondiale et il est supérieur à 60 % depuis 19702. En fait, le taux de recyclage global de l’industrie est de près de 68 %. En 2002, plus de 72 millions de tonnes d’acier et de fer ont été recyclées dans les aciéries et les fonderies des États-Unis, tandis que le volume recyclé au Canada a dépassé 15 millions de tonnes2,3. L’acier est le moteur qui dicte le recyclage de bon nombre de produits de grande consommation, comme le montrent le taux de recyclage de pratiquement 100 % des automobiles, le taux de recyclage de près de 80 % des appareils électroménagers et celui de presque 60 % des emballages en acier2. De plus, des millions de tonnes d’acier et de fer provenant de projets de démolition sont détournés du flux de déchets vers le flux de recyclage. Cela tient aux propriétés magnétiques de l’acier, qui en font le matériau le plus facile à séparer du flux de déchets solides.

Le secteur canadien du recyclage des métaux est à la fois en pleine maturité et extensif, et il comprend plus de 2800 entreprises et particuliers qui prennent part à la collecte, au traitement, à la vente, à la récupération et au recyclage des métaux recyclables et des matières métallifères. Le recyclage des déchets d’acier représente le tonnage de matériaux recyclés le plus élevé au Canada. Le taux de recyclage de l’acier au pays dépasse 65 % et, depuis 1990, les producteurs d’acier canadiens ont augmenté de 26 % le volume de ferraille qu’ils recyclent3. Le taux global de recyclage de l’acier est supérieur à celui de l’aluminium, du papier et du verre combinés, et il dépasse celui de tous les autres métaux combinés (notamment l’aluminium, le cuivre, le nickel, le chrome et le zinc)3.

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SOURCES DE DÉCHETS D’ACIER

L’industrie du fer et de l’acier recycle trois types de déchets : les ferrailles de l’usine, les ferrailles neuves et les vieilles ferrailles.

Ferrailles de l’usine

Les ferrailles de l’usine sont produites à l’interne dans le cadre du processus d’élaboration de l’acier lorsque les aciéries et les fonderies fabriquent de nouveaux produits d’acier. Les déchets de ce genre quittent rarement la zone de fabrication de l’acier. Ils sont plutôt retournés aux fourneaux et fondus de nouveau. Les progrès technologiques ont permis de réduire de façon importante la production de ferrailles de l’usine, qui représentent environ 29 % des déchets d’acier totaux4.

Ferrailles neuves

Les ferrailles neuves (qu’on appelle aussi les ferrailles récupérées) sont produites dans les usines de fabrication de produits d’acier et incluent les articles tels que les tournures d’usinage, les chutes de cisaillage et les chutes de découpage associées aux procédés de fabrication. Elles sont ordinairement vendues à l’industrie de la ferraille, qui les traite en vue de les revendre aux aciéries et aux fonderies. Les ferrailles neuves représentent environ 23 % des déchets d’acier totaux4.

Vieilles ferrailles

Les vieilles ferrailles, ou ferrailles recyclées après consommation, sont celles qui proviennent des produits d’acier industriels ou de grande consommation (tels que les automobiles, les appareils électroménagers, les bâtiments, les ponts, les navires, les boîtes en fer blanc, les wagons de chemin de fer, etc.) qui ont atteint leur durée de vie utile. Elles représentent environ 48 % des déchets métalliques totaux4.

La préservation de la qualité des produits d’acier et la réduction au minimum de la contamination par d’autres métaux constituent un important défi lié au recyclage de la ferraille d’acier. Il se peut qu’une certaine contamination par des éléments résiduels provienne du recyclage des automobiles et des déchets municipaux. En Amérique du Nord, les déchets métalliques ferreux provenant des vieilles automobiles totalisent à environ 10 millions de tonnes par année5. Il s’utilise plus de ferraille d’acier recyclée dans les procédés de fabrication de l’acier et on prévoit que la tendance prendra de l’ampleur à cause de la disponibilité accrue de déchets métalliques automobiles bon marché. Par conséquent, l’utilisation d’une plus grande quantité de ferraille et le recyclage répété font augmenter les niveaux d’impuretés résiduelles qui entrent dans le processus de fabrication de l’acier à partir de déchets métalliques. L’aptitude à maîtriser les effets adverses de ces éléments résiduels et la nécessité de recourir à des techniques d’affinage plus efficaces pour recycler la ferraille d’alimentation à l’avenir sont des préoccupations majeures.

Il se fabrique chaque année près de 52 millions d’automobiles et, vu leur durée de vie utile relativement courte (entre neuf et treize ans), leur élimination a d’importantes répercussions sur l’environnement6. Tout comme dans le cas du développement de l’automobile sous-compacte à

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moteur de 3 L, les pressions exercées par les gouvernements ont finalement fait modifier de façon dramatique cet aspect de l’industrie automobile. Par exemple, le gouvernement britannique a récemment signé avec, entre autres, la Society of Motor Manufactures and Traders, les Motor Vehicle Dismantlers et la British Metals Federation une entente visant à faire augmenter le recyclage des automobiles à 85 % du poids moyen d’un véhicule d’ici 20057. Pour que l’objectif soit atteint, il faut à tout prix améliorer la séparation des matériaux composants des automobiles et minimiser la contamination des flux de métaux durant le recyclage. Des déchets métalliques propres et bien triés sont essentiels à la rentabilité du recyclage.

CLASSIFICATION DE LA FERRAILLE, DES PRODUITS INTERMÉDIAIRES ET DES REBUTS D’ACIER

L’infrastructure de collecte et de recyclage des déchets d’acier est bien en place depuis plus d’un siècle. L’industrie de la ferraille comprend trois importants niveaux d’expertise. Les entreprises de traitement achètent la ferraille à diverses sources, notamment les usines industrielles, les installations gouvernementales, les fermes, les casseurs d’automobiles, les chemins de fer, les chantiers navals, les entreprises de démantèlement de bâtiments, les entreprises de démolition et les municipalités. Dans leurs usines ou installations, elles préparent la ferraille en vue de sa réutilisation, en employant diverses techniques, telles que le découpage au chalumeau, la découpe, le paquetage et le déchiquetage. Des courtiers agissent comme intermédiaires entre les entreprises de traitement et les consommateurs ou les utilisateurs industriels de ferraille; ils aident aussi les entreprises de traitement à trouver des marchés pour la ferraille qu’elles préparent, en plus d’aider les consommateurs industriels à trouver une source d’approvisionnement en produits de ferraille dont ils ont besoin pour leurs activités de fabrication. Les consommateurs industriels sont les aciéries et les fonderies qui achètent la ferraille traitée, la refondent et l’utilisent pour fabriquer un nouveau produit d’acier. C’est le consommateur de ferraille qui ferme le cercle du recyclage et permet effectivement à cette activité d’avoir lieu, puisque l’acier est alors retourné dans le marché.

L’acier n’est pas un produit unique. Il y a à l’heure actuelle plus de 3500 différentes nuances d’acier aux nombreuses propriétés (physiques, chimiques et environnementales) différentes, dont 75 % ont été élaborées au cours des 20 dernières années1. L’étape la plus critique d’une opération de recyclage de métaux, c’est la détermination et le classement des métaux en groupes de matériaux semblables. Ces groupes représentent une marchandise commercialisable qui a été définie à l’intention de l’industrie du recyclage des métaux ferreux par l’Institute of Scrap Recycling Industries (ISRI).8 On peut facilement obtenir d’autres renseignements sur les spécifications et les applications des alliages de recyclage en s’adressant à des groupes industriels tels que l’American Iron and Steel Institute (AISI) ou aux producteurs de divers alliages ou encore, en consultant la documentation technique9,10.

Les déchets métalliques ferreux sont triés et traités de façon à donner des aciers de diverses nuances qui sont refondus dans les fourneaux d’aciéries. On peut regrouper les types de métaux ferreux recyclés en deux classes : les déchets métalliques ferreux ainsi que les rebuts ferreux et les produits intermédiaires11. On trouvera dans les annexes A et B la liste plus complète des déchets de fer, d’acier et d’acier inoxydable, des produits intermédiaires, et des rebuts11. Les

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classes courantes de déchets de fer et d’acier sont les suivantes11 : acier de fusion lourd; acier de fusion lourd no 2; paquets d’acier compressés à la presse hydraulique nos 1 et 2; déchets de chutes nos 1et 2 – préparés; acier de construction ou plaques; paquets d’acier au silicium compressés à la presse hydraulique; déchets de chutes no 1 (découpes); tournures d’usinage d’acier broyées (short shoveling); tournures d’atelier d’usinage; mélange de tournures d’usinage et de copeaux d’alésage; copeaux d’alésage en fonte; machinerie no 1 – pièces coulées; pièces coulées mixtes; déchets déchiquetés nos 1 et 2; tournures d’usinage d’acier briquetées – acier exempt d’alliage; tournures d’usinage d’acier briquetées – acier allié ou pour fonderies.

Les processus sidérurgiques nord-américains sont complexes et génèrent certains sous-produits. À titre d’exemple, un produit appelé « laitier de haut fourneau » a été pendant de nombreuses décennies un sous-produit de la fabrication du fer. Chaque tonne de métal chaud produite donne environ 600 lb de laitier2. Celui-ci est maintenant récupéré et utilisé dans la construction des routes, comme ballast pour les voies ferrées ou comme engrais ainsi que dans la fabrication du verre et certaines autres applications commerciales. La récupération et la réutilisation de ces laitiers permet de conserver des dizaines de millions de tonnes d’autres ressources naturelles chaque année. De même, durant le processus de fabrication du coke (le coke est un matériau utilisé dans la fabrication du fer), de grandes quantités de gaz sont produites. Ces gaz sont récupérés, nettoyés et réutilisés pour qu’il soit possible d’économiser de l’énergie précieuse et de réduire ainsi la dépendance du gaz naturel pour le réchauffage et l’énergie nécessaire aux autres procédés. Au cours du même processus, les dégagements gazeux provenant du processus de fabrication du fer lui-même sont captés et, ici encore, les gaz sont traités et réutilisés comme combustibles.

Les types courants de produits intermédiaires ou de rebuts de fer et d’acier incluent11 le laitier provenant du processus de fabrication de l’acier (HF, CBO ou FEA); la liqueur de décapage épuisée; la poussière de carneau (HF, CB0 ou FEA); les boues excédentaires (HF ou CBO); le gâteau de boues (HF ou CBO) et la calamine.

TECHNIQUES DE TRI ET DE PRÉPARATION DES DÉCHETS D’ACIER

Les nombreuses sources et formes de déchets ferreux exigent l’utilisation d’un grand nombre de techniques de tri et de préparation pour éliminer les contaminants ou récupérer les autres matériaux précieux (c.-à-d. les métaux non ferreux) avant que la ferraille entre dans le processus de fabrication de l’acier.

Tri et préparation à la main

Les gros articles tels que les navires, les automobiles, les appareils électroménagers, les wagons de chemin de fer et l’acier de construction doivent absolument être découpés pour pouvoir être chargés dans un four. Cela peut se faire à l’aide de cisailles, de chalumeaux de coupe à main, de broyeurs ou de déchiqueteuses. Le tri à la main entraîne évidemment le retrait à la main d’éléments constituants des déchets. C’est lorsqu’on doit enlever divers accessoires des déchets (c.-à-d. les radiateurs d’automobiles ferraillées et les réservoirs d’extrémité en plastique des radiateurs) ou que le déchargement à la main est inévitable que la méthode convient le mieux. La séparation des pièces métalliques des pièces non métalliques se fait aussi souvent à la main.

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Procédés de réduction de la taille des déchets

On utilise une vaste gamme d’équipements pour réduire les grosses matières mises aux rebuts en morceaux assez petits pour en permettre le regroupement, l’expédition et l’introduction subséquente dans un four. Parmi le matériel utilisé à cette fin, mentionnons les cisailles et les aplatisseurs ainsi que le broyeur de chutes de découpe au chalumeau et de tournures d’usinage. Les utilisateurs sont habituellement les entreprises de vente ou de traitement qui convertissent la ferraille en alimentation d’aciéries.

Presse à paqueter – Les déchets en vrac dont la surface de contact est élevée et la densité, faible (c.-à-d. les tournures d’usinage) doivent absolument être compactés par paquetage ou briquetage. La presse à paqueter est une pièce d’équipement lourde qui utilise jusqu’à trois béliers hydrauliques pour comprimer la ferraille dont il faut augmenter la densité avant la refonte. D’une puissance de 600 chevaux-vapeur, la plus grosse presse de paquetage peut prendre trois autos aplaties sans moteur et produire en moins de deux minutes une galette de 5400 lb mesurant 36 po sur 24 po sur 60 po4. À une efficacité de 100 %, elle traite un peu plus de 40 lb de ferraille par heure.

Briqueteuse – Dans une briqueteuse, les déchets de faible taille sont compactés dans des poches lorsqu’ils passent entre deux tambours contrarotatifs; le compactage peut être aidé par de la chaleur, selon le matériau en cause.

Cisaille – La cisaille à guillotine hydraulique tranche les lourdes pièces de métal, notamment les poutres en I, les plaques de navires, les tuyaux et les parois de wagons de chemin de fer. La force appliquée au niveau de la tête de coupe d’une cisaille varie de 300 à plus de 2000 tonnes4.

Déchiquetage

Les déchiqueteuses ou les machines à fragmenter peuvent réduire les vieilles carcasses d’automobiles en morceaux de la grosseur du poing à l’aide de broyeurs à marteaux massifs. La déchiqueteuse de taille moyenne utilise 36 marteaux pesant chacun 250 lb pour réduire les carcasses d’autos en pièces4. Bien que les carcasses d’automobiles constituent le plus souvent la matière première de la déchiqueteuse, les biens durables techniques (les appareils électroménagers tels que les cuisinières, les machines à laver le linge, les sécheuses et les réfrigérateurs) et les autres gros articles peuvent eux aussi être déchiquetés. Selon ses dimensions, la déchiqueteuse peut traiter de 1500 à plus de 20 000 tonnes de déchets par mois. Le déchiquetage produit trois types de matériaux : les métaux ferreux (fer et acier), la fraction légère des résidus de déchiquetage et la fraction lourde des résidus de déchiquetage. Les deux fractions de résidus, soit individuellement, soit collectivement, sont souvent appelées « résidus de déchiquetage de carcasses de véhicules automobiles (RDA) ». Le terme s’applique également aux matériaux légers qui sont collectés durant le déchiquetage pour être séparés par cyclonage. La récupération d’une tonne d’acier produit environ 300 kg de RDA; ceux-ci se composent de plastique, de caoutchouc, de verre, de mousse et de textiles contaminés par l’huile et les autres fluides5. L’exploitant de la déchiqueteuse récupère les métaux ferreux par séparation magnétique et les vend aux aciéries. La fraction lourde des RDA contient surtout de l’aluminium, de l’acier inoxydable, du cuivre, du zinc et du plomb. Les métaux non ferreux et les métaux ferreux sont

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récupérés à partir de cette fraction lourde, soit par l’exploitant de la déchiqueteuse, soit par des séparateurs de métaux non ferreux qui achètent les RDA à l’industrie du déchiquetage. La séparation par suspensions denses et la séparation par courants de Foucault sont les techniques les plus utilisées pour extraire les substances métalliques de la fraction lourde des RDA.

Séparation magnétique

On utilise la séparation magnétique lorsqu’il faut séparer une importante quantité de déchets métalliques ferreux d’autres matériaux. Le procédé repose sur l’utilisation d’aimants permanents et d’électro-aimants. On peut mettre les derniers sous tension ou hors tension pour ramasser ou laisser tomber des articles. La séparation magnétique peut être soit du type à courroie, soit du type à tambour. Dans le tambour, un aimant permanent se trouve à l’intérieur d’une enveloppe rotative. Le matériau passe sous le tambour, sur une courroie. Le séparateur à courroie est similaire, sauf que l’aimant se trouve entre des poulies sur lesquelles passe une courroie continue.

La séparation magnétique comporte certaines limitations. Elle ne peut séparer le fer et l’acier du nickel ou des aciers inoxydables magnétiques. En outre, les pièces composites qui contiennent du fer sont collectées et peuvent alors contaminer la fonte. On peut utiliser le triage à la main conjointement avec la séparation magnétique pour éviter que cela se produise.

Séparation par courants de Foucault

Les séparateurs par courants de Foucault sont utilisés pour séparer les métaux non ferreux des rebuts et des RDA. Le procédé se conforme généralement au procédé principal de séparation magnétique et il exploite la conductivité électrique des métaux non magnétiques. On obtient la séparation en faisant passer un courant magnétique à travers le flux d’alimentation et en utilisant les forces répulsives qui interagissent entre le champ magnétique et les courants de Foucault dans les métaux.

Le séparateur à rampe inclinée constitue l’application la plus simple du procédé. Il utilise une série d’aimants sur une plaque inclinée recouverte d’une surface de glissement non magnétique, telle qu’une surface en acier inoxydable. Lorsqu’une alimentation consistant en matériaux mixtes descend la rampe, les articles non métalliques glissent directement au bas de la rampe, tandis que les métaux sont déviés vers les côtés par l’interaction du champ magnétique avec le courant de Foucault induit. Les deux flux sont ensuite collectés séparément. Parmi les variantes du séparateur par courants de Foucault, on retrouve le séparateur à disque rotatif, dans lequel les aimants sont disposés autour d’un axe tournant. Un autre système utilise un transporteur dans lequel la poulie de tête est munie d’aimants. Les deux systèmes comptent sur les différentes trajectoires des matériaux, soit ceux qui sont touchés, soit ceux qui ne sont pas touchés par les champs magnétiques, pour effectuer la séparation.

Séparation par suspensions denses

La récupération des matériaux recyclables se fait souvent à l’aide de la séparation par suspensions denses (SSD), qui permet d’extraire les métaux non ferreux des RDA. Le procédé utilise un milieu normalement fait de magnétite ou de ferrosilicium finement broyé et d’eau. En

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faisant varier les proportions relatives des solides, il est possible de régler la densité relative (ou gravité spécifique) du milieu. Celle-ci se situe ordinairement entre les densités respectives des deux matériaux en cours de séparation. Une fois séparés, les produits ou les matériaux sont évacués, et le milieu récupéré est alors retourné au procédé. Le milieu qui adhère encore au produit ou au matériau est enlevé par pulvérisation d’eau. On fait ensuite passer la solution résultante à travers des séparateurs magnétiques pour récupérer le milieu. L’effluent est ensuite réutilisé comme eau de pulvérisation. Le procédé SSD peut être appliqué dans un bain ouvert, ce qui permet d’obtenir une force séparatrice égale à la force exercée par la gravité. Dans le cas des petites particules, les forces associées à la viscosité du milieu ont tendance à agir contre la force séparatrice. Dans ce cas, on emploie un séparateur cyclonique qui sépare les matériaux en utilisant une force égale à plusieurs fois la force exercée par la gravité.

Couleur, densité, propriétés magnétiques, étincelles, essais chimiques ou spectroscopiques

Les déchets métalliques sont ordinairement identifiés par des trieurs qualifiés à l’aide d’un nombre limité d’essais physiques ou chimiques. Les essais reposent sur la reconnaissance des objets, la couleur, la densité apparente, les propriétés magnétiques, la nature de la gerbe d’étincelles produites au contact avec une meule d’émeri tournant à grande vitesse, la réaction chimique aux réactifs, l’analyse chimique et l’analyse spectrographique12.

Les propriétés physiques telles que la couleur, la densité et la dureté relatives, peuvent servir à séparer rapidement certaines classes de matériaux. Il est par exemple possible de repérer le cuivre ou le laiton par sa couleur, tandis qu’il est possible de reconnaître le plomb à la fois d’après sa densité et sa mollesse relative. Il peut être plus difficile de différencier les alliages de nuance et de composition semblables; dans ce cas, on peut utiliser le contrôle magnétique, l’essai aux étincelles ou l’analyse chimique ou spectroscopique. On peut également se servir du contrôle magnétique dans le cas du fer, du nickel et du cobalt, qui sont des matériaux ferromagnétiques, tout comme le sont les aciers inoxydables faiblement alliés. Par conséquent, bien qu’il ne puisse servir à différencier les alliages, le contrôle magnétique peut permettre de les classer dans leur série respective. L’essai aux étincelles nécessite le contact entre l’alliage et une meule d’émeri. La couleur et la longueur de la gerbe d’étincelles peuvent servir à identifier l’alliage. Il existe un spectromètre qui analyse le spectre dégagé par la gerbe d’étincelles et le compare à des normes pour déterminer la nature de l’alliage, mais l’appareil n’est pas vraiment portable et il n’est donc pas très utilisé. On peut utiliser divers spectromètres optiques ou à rayons X pour déterminer la composition d’un alliage. Le contrôle thermoélectrique nécessite l’utilisation de l’effet Seebeck pour déterminer la nature de certains matériaux. Les appareils thermoélectriques contiennent deux sondes faites du même métal, dont l’une est chauffée et l’autre est à la température ambiante. Lorsque les sondes entrent en contact avec la ferraille, il se produit une différence de potentiel qui est caractéristique du métal soumis à l’essai. On utilise également des essais chimiques à la touche selon lesquels on laisse tomber un réactif tel qu’un acide sur le métal et on observe la réaction produite. L’analyse chimique quantitative peut servir à confirmer la composition exacte de l’alliage.

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Techniques d’élimination des revêtements

L’industrie utilise à l’heure actuelle un certain nombre de procédés pour éliminer les revêtements des déchets d’acier.

Dézingage

Tout déchet zincifère inclus dans la charge entraîne le rejet d’oxyde de zinc dans la poussière de carneau. Les déchets de tôle d’acier galvanisée sont la principale source de zinc. L’élimination du zinc à l’aide de méthodes thermiques peut se faire au moyen de diverses techniques.

1. Les pièces galvanisées sont chauffées à une température élevée (> 900 ºC), à laquelle le zinc s’évapore.

2. Les pièces galvanisées sont chauffées à une température assez élevée pour fragiliser le revêtement, après quoi celui-ci est enlevé par abrasion.

3. Le chauffage et l’élimination subséquente du revêtement se font par grenaillage.

L’élimination du zinc peut également se faire à l’aide de techniques chimiques qui prévoient l’utilisation d’une liqueur lixiviante d’ammoniac ou de l’hydroxyde de sodium pour dissoudre le revêtement de zinc des déchets métalliques galvanisés.

Désétamage

La présence de déchets métalliques stannifères (c.-à-d. les contenants d’aliments et les roulements d’automobiles) dans le recyclage de l’acier modifie la qualité de la surface des produits d’acier parce que l’étain se sépare, se retrouve aux joints de grains et cause la formation de gales superficielles durant le travail du métal. Parmi les procédés utilisés pour désétamer les déchets de fer blanc, on retrouve le désétamage électrolytique et le désétamage alcalin.

Incinération

Certaines entreprises de traitement de la ferraille utilisent l’incinération pour éliminer les matériaux combustibles, notamment les huiles, les graisses, les peintures, les lubrifiants et les adhésifs.

NOUVELLES TECHNIQUES DE TRI DES DÉCHETS D’ACIER

SPECTROMÈTRES OPTIQUES PORTABLES

Les spectromètres optiques portables sont en train de devenir des outils importants de tri et d’identification sur place des métaux13,14 . Leur précision analytique et leur exactitude, même si elles ne sont pas aussi bonnes que les méthodes d’analyse en laboratoire, sont plus qu’adéquates pour le triage de déchets mêlés et la plupart des exigences de vérification de nuance. Un

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spectromètre portable peut séparer différents types d’acier, en plus de séparer au moins 90 à 95 % des différentes nuances qui composent chaque type d’acier.

TRI SELON LA COULEUR

Le tri selon la couleur est un des premiers procédés de triage automatisés à être utilisé à l’échelle industrielle et il a été mis au point par la Huron Valley Steel Corporation (HVSC), qui est la plus importante entreprise de triage des déchets métalliques non ferreux dans le monde. Au cours de la dernière décennie, HVSC a utilisé la technique pour trier le zinc, le cuivre, le bronze et l’acier inoxydable. La technique repose sur l’analyse d’une image informatique, au cours de laquelle le système détecte la couleur de chaque pièce métallique. Les pièces dont la couleur se situe dans une gamme déterminée sont automatiquement dirigées à l’extérieur du matériau d’alimentation. Pour que cela fonctionne correctement, un mécanisme de différenciation sert à produire un profil en forme de chaîne des particules de déchets avant que celles-ci parviennent au détecteur d’images. La trieuse selon la couleur de HVSC s’est avérée être très précise et elle permet d’obtenir des métaux dont la pureté dépasse 98 %15. Ce degré de pureté est possible parce que la méthode de tri est indépendante de la grosseur et de la forme des particules15. Les progrès technologiques réalisés dans le domaine des ordinateurs au cours de la dernière décennie ont fait augmenter énormément la vitesse de l’analyse d’images en temps réel. En raison des progrès réalisés dans le domaine des trieuses industrielles selon la couleur ces dernières années, l’aptitude à trier efficacement différents métaux dont la couleur ne varie que légèrement a augmenté de façon dramatique.

SPECTROSCOPIE PAR CLAQUAGE INDUIT PAR ÉCLAIR LASER

La spectroscopie par claquage induit par éclair laser est un système de triage des déchets métalliques qui détermine la composition chimique réelle de chaque morceau de ferraille de manière rapide et économique pour qu’il soit possible d’obtenir des déchets de la plus haute qualité possible. La technique a été mise au point par le Los Alamos National Laboratory au début des années 1980 à l’intention d’un grand nombre d’applications16,17,18. Ce n’est toutefois qu’au début des années 1990 qu’on a commencé à l’utiliser pour l’analyse de pièces en métal massif dans le cadre d’un projet exécuté conjointement avec Metallgesellschaft. Les résultats du projet ont révélé la valeur concrète de la technique lorsqu’il s’agit de déterminer avec précision la composition élémentaire des déchets métalliques19,20,21. Le projet portait toutefois surtout sur la détermination de l’élément matriciel et non sur l’analyse spectrale complète de tous les éléments contenus dans les déchets.

Bien qu’elle comporte de nombreux avantages, la spectroscopie par claquage induit par éclair laser comporte tout de même certaines limitations. Le plus gros inconvénient tient au fait que la surface des déchets doit absolument être exempte de peinture, de lubrifiant ou d’adhésif, puisque la profondeur à laquelle le laser à impulsions pénètre dans le métal ne dépasse pas trente angströms.

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On peut aussi utiliser les rayons X au lieu d’un laser pour illuminer la surface des déchets. La fluorescence X a servi à identifier des alliages et on trouve déjà un certain nombre d’appareils, portables ou à main, dans le commerce.

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ANNEXE A – CLASSIFICATION DE LA FERRAILLE, DES PRODUITS INTERMÉDIAIRES ET DES DÉCHETS DE FER ET D’ACIER

CATÉGORIES COURANTES DE FERRAILLE D’ACIER

Déchets de poinçonnage et déchets de tôle

Les déchets de poinçonnage ou déchets de tôle présentent les caractéristiques souhaitables suivantes : ils sont généralement propres, exempts de rouille, le rendement de leur fusion est élevé et leur composition est connue. Les matériaux provenant des usines de poinçonnage présentent habituellement une faible teneur en carbone, en manganèse, en phosphore et en soufre.

Déchets de chutes no 1

� Semblables aux débouchures de poinçonnage et aux déchets de tôle. Dans l’ensemble, les déchets de cette catégorie contiennent plus de chutes de découpe d’acier (jusqu’à 12 po de long) et ils sont souvent commercialisés sous forme de mélange.

� Déchets d’acier propres dont aucune des dimensions ne dépasse 12 po; ils incluent les déchets de chutes d’usine neufs (p. ex. les chutes de découpe d’acier, les débouchures de poinçonnage, etc.). N’inclut pas les vieilles carcasses ou les ailes d’automobiles. Exempts de métal revêtu, chaulé ou recouvert d’un émaillage vitreux, ou de tôle magnétique contenant plus de 0,5 % de silicium.

Chutes de découpe de tôle noire neuve

Dans le cas d’un chargement direct, dimensions maximales de 8 pi sur 18 po, exemptes de vieilles carcasses ou d’ailes d’automobiles et de métal revêtu, chaulé ou recouvert d’un émaillage vitreux, ou de tôle noire contenant plus de 0,5 % de silicium.

Chutes de découpe déchiquetées

Les chutes de découpe déchiquetées sont une autre catégorie usine de ferraille. Elles ressemblent aux déchets produits par le déchiquetage des automobiles (fraction ferreuse) et elles ont la même densité.

Paquets no 1

� Paquets bien compactés de déchets d’acier de faible épaisseur, produits dans une presse hydraulique. Les matériaux sont collectés des ateliers de pressage et ils se composent de tôle, de bandes et de rognures propres qui pourraient avoir été vendues comme débouchures de poinçonnage ou déchets de tôle, ou comme déchets de chutes no 1.

� Ferraille de tôle d’acier noire et neuve, chutes de découpe ou chutes comprimées à des dimensions permettant l’introduction dans une boîte de chargement et pesant au moins 75 lb/pi3 (les paquets liés à la main sont attachés solidement de manière à pouvoir être manipulés avec un aimant). Peuvent inclure des Stanley balls, des paquets de déchets

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métalliques enroulés sur un mandrin ou des carcasses de bobines, le tout attaché solidement. Peuvent également inclure des matériaux désétamés chimiquement. Ne peuvent inclure les vieilles carcasses et les ailes d’automobiles. Exempts de métal revêtu, chaulé ou recouvert d’un émaillage vitreux, ou de tôle magnétique contenant plus de 0,5 % de silicium.

Paquets no 2

� Contiennent d’importantes quantités de tôle d’acier galvanisée ou autrement revêtue de zinc. Non seulement la fonte est-elle de mauvaise qualité à cause des contaminants, mais en plus le rendement est médiocre – il n’est que d’environ 70 %.

� Vieille ferraille de tôle d’acier noire ou galvanisée, compressée hydrauliquement à des dimensions permettant l’introduction dans une boîte de chargement et pesant au moins 75 lb/pi3. Ne peut inclure de matériaux revêtus d’étain ou de plomb, ou d’un émaillage vitreux.

Paquets no 3

Vieille tôle d’acier, comprimée à des dimensions permettant l’introduction dans une boîte de chargement et pesant au moins 75 lb/pi3. Peut inclure tous les déchets ferreux revêtus non indiqués pour inclusion dans les paquets no 2.

Paquets pour fours électriques

Les paquets pour fours électriques sont simplement une version réduite des paquets no 1 et on les appelle ainsi parce qu’ils conviennent mieux au chargement par la porte d’un four électrique à arc, qui est plus petite.

Catégories de ferrailles récupérées à haute teneur en silicium

Les catégories de ferrailles récupérées à haute teneur en silicium se composent de chutes de poinçonnage ou de cisaillage et de déchets de tôle magnétique à haute teneur en silicium. Ces ferrailles représentent des catégories très pures pour ce qui est des impuretés métalliques, mais leur teneur en silicium est élevée, ce qui en restreint l’utilisation.

Bavures de forgeage

Cette catégorie, qu’on appelle également « déchets de forgeage », comprend surtout des éboutages et inclut souvent des pièces forgées défectueuses. Cette catégorie de ferraille fait voir l’effet des températures de forgeage, surtout sous forme de calamine.

Ferrailles lourdes provenant d’aciéries

Les « ferrailles de l’usine » incluent les articles tels que les culots de lingots, les billettes, les blooms, les chutes de recoupe plates et les chutes de recoupe d’abouts de rails.

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Roues du matériel de chemin de fer et éléments de voies ferrées

Les matériaux de chemin de fer représentent une classe de ferraille à teneur en impuretés généralement faible. Les utilisateurs de ces déchets doivent tenir compte du fait que les matériaux de chemin de fer sont de plus en plus alliés de chrome et de molybdène. Il faut également se rappeler que la plupart des vieilles roues en fonte ont été remplacées par des pièces forgées en acier à moyen carbone.

Ferraille de plaques découpées et d’acier de construction

Ce type de ferraille est vendu sous plusieurs codes différents, selon la grosseur des morceaux : un des codes permet une longueur, une largeur et une épaisseur pouvant atteindre 5 pi, 24 po et ¼ po, respectivement. La ferraille de cette catégorie est utilisée plus souvent pour le chargement des gros fours électriques que pour celui des cubilots.

Acier de fusion lourd no 1

� Cette catégorie est caractérisée par un pourcentage d’impuretés plus élevé que celui de la ferraille de plaques découpées et d’acier de construction, de même que par une teneur en alliage plus élevée, parce qu’elle consiste généralement en des aciers haute résistance faiblement alliés. Ceux-ci sont habituellement disponibles en longueurs inférieures à 5 pi, pour chargement dans les CBO et les gros fours à arc.

� Fer forgé ou ferraille d’acier de ¼ po ou plus d’épaisseur, ou les deux à la fois. Chaque morceau, ne mesurant pas plus que 60 × 24 po (dimensions d’une boîte de chargement), est préparé de manière à obtenir un chargement compact.

Acier de fusion lourd no 2

� Cette catégorie diffère de celle de l’acier no 1 (décrite plus haut) surtout en raison du fait que la limite inférieure d’épaisseur est de � po et qu’elle accepte une plus grande quantité d’acier revêtu.

� Fer forgé et déchets d’acier, noirs ou galvanisés, d’une épaisseur de � po ou plus, dimensionnés en fonction des boîtes de chargement et incluant les matériaux non convenables comme acier de fusion lourd no 1.

Ferraille déchiquetée

� Généralement semblable aux chutes de découpe déchiquetées (dont il a été question plus haut), sauf qu’elle est susceptible de contenir plus de pièces déchiquetées provenant de carrosseries d’automobiles; elle peut également contenir plus de plastique, d’aluminium et d’autres contaminants.

� Déchets de fer et d’acier homogènes, séparés magnétiquement, provenant d’automobiles, acier no 1 ou 2 sans préparation, paquetages divers et déchets de tôle. Densité moyenne de 50 lb/pi3.

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Chutes de découpe déchiquetées

Chutes de découpe ou tôle d’acier au carbone de la série 1000. Les matériaux doivent avoir une densité moyenne de 60 lb/pi3.

Boîtes en fer blanc déchiquetées pour refonte

Les contenants métalliques déchiquetés, étamés ou chromés-chromatés, peuvent inclure des dessus en aluminium, mais la ferraille doit être exempte de boîtes en aluminium, de métaux non ferreux à l’exception de ceux utilisés dans la construction des contenants, et de déchets non métalliques de quelque sorte que ce soit.

Plaques métalliques d’automobiles (auto slabs)

Les plaques d’automobiles ont essentiellement la même composition chimique que les paquets no 2, mais elles donnent un rendement plus élevé parce qu’elles contiennent moins de déchets.

Tournures d’usinage briquetées

Les tournures d’usinage briquetées sont classées conformément à plusieurs codes incluant un certain nombre de types (et de catégories de pureté) selon que les tournures sont mélangées ou non à des copeaux d’alésage en fonte.

Déchets de laitier lié à la fabrication de l’acier

On considère généralement que les déchets de laitier lié à la fabrication de l’acier constituent un matériau de fusion de qualité inférieure et leur prix est fixé en conséquence. Le matériau se compose de pépites d’acier irrégulières qui ont été séparées magnétiquement du laitier concassé. Le rendement de la fusion varie habituellement de 70 à 80 %.

Tournures d’atelier d’usinage

La catégorie inclut les tournures propres en acier ou en fer forgé, exemptes de copeaux d’alésage en fonte, de métaux non ferreux à l’état libre, de calamine ou d’huile en trop grande quantité. Elle ne peut inclure aucun matériau fortement rouillé ou corrodé.

Tournures d’atelier d’usinage et copeaux d’alésage en fonte

Cette catégorie est la même que celle des tournures d’atelier d’usinage, mais elle inclut les copeaux d’alésage en fonte.

Tournures « shoveling » et copeaux d’alésage en fonte

Identique à celle des tournures « shoveling », mais elle inclut les copeaux d’alésage en fonte.

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CATÉGORIES COURANTES DE FERRAILLE DE FONTE

Lingotières et plaques de coulée en source brisées

Cette catégorie de ferraille est liée aux lingotières usées et, comme elle ne convient pas bien à la fabrication de l’acier dans un CBO, le matériau se retrouve en majeure partie dans les fonderies. La catégorie comprend de la fonte d’assez bonne qualité dont la teneur en impuretés métalliques est généralement faible.

Pièces coulées pour machinerie pilonnées

Par définition, cette catégorie (aussi appelée « pièces coulées pour machinerie no 1 » comprend les pièces coulées pour machinerie qui doivent de toute évidence avoir été usinées, ce qui en fait une bonne catégorie de fer relativement doux.

Pièces coulées pour automobiles

Cette catégorie comprend généralement les groupes motopropulseurs de camions et d’autobus. Dans l’ensemble, les composants d’acier sont « arrachés » et vendus séparément comme ferraille.

Pièces coulées pour cubilots

La ferraille de fonte pour cubilots constitue une catégorie désignée qui peut contenir de la fonte d’à peu près n’importe quelle qualité, sauf les plaques de poêle, la fonte brûlée et les sabots de freins. On l’appelle souvent « mélange de pièces coulées ».

Copeaux d’alésage en fonte briquetés

Les copeaux d’alésage briquetés sont devenus une catégorie dominante de ferraille de fonte. Il existe diverses catégories de copeaux.

Plaques de poêle

Les plaques de poêle ont un profil mince et ont été coulées à dessein avec de la fonte très fluide; elles contiennent donc beaucoup de silicium et de phosphore.

Fonte brûlée

La fonte brûlée se compose de plaques de poêle, de grilles, de pièces de chambre de combustion, de chauffe-creusets ainsi que de caisses et de tubes à recuire. Il s’agit de la ferraille de fonte de la dernière qualité.

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DÉCHETS DE L’INDUSTRIE DE FABRICATION DE L’ACIER

Poussière de carneau de HF

La poussière de carneau de haut fourneau (HF) se compose de particules d’oxyde de fer, d’oxydes ainsi que de carbone et de chaux, et elle est produite par le haut fourneau durant la fusion et collectée dans le système antipollution atmosphérique (c.-à-d. le dépoussiéreur à sacs filtrants). Elle se compose ordinairement d’oxyde de fer et de 1,5 % de zinc.

Boues excédentaires de HF

Les hauts fourneaux utilisent souvent un dépoussiéreur par voie humide pour capter les particules de poussière provenant des dégagements gazeux produits durant les opérations. Les boues résultantes se composent de particules d’oxyde en suspension dans l’eau et contiennent habituellement de 30 à 60 % d’eau.

Gâteau de boues de HF

Le gâteau de boues est fait de boues excédentaires de haut fourneau qui ont été déshydratées de manière à être plus faciles à manipuler et à transporter; il contient de 15 à 20 % d’eau.

Poussière de carneau de CBO

Cette poussière de carneau est faite de particules d’oxyde de fer produites par le convertisseur basique à oxygène durant la fabrication de l’acier; elle est collectée dans le système antipollution atmosphérique (c.-à-d. le dépoussiéreur à sacs filtrants). Elle se compose ordinairement d’oxyde de fer et de 1,5 à 4 % de zinc.

Boues excédentaires de CBO

Les aciéries intégrées utilisent souvent un dépoussiéreur par voie humide pour capter les particules de poussière d’oxyde provenant des dégagements gazeux produits dans le convertisseur basique à oxygène. Les boues se composent de particules de fer et d’oxyde de zinc en suspension dans l’eau. Elles contiennent habituellement de 30 à 60 % d’eau.

Gâteau de boues de CBO

On appelle gâteau de boues de CBO les boues excédentaires qui ont été déshydratées pour être plus faciles à manipuler et à transporter, et qui contiennent de 15 à 20 % d’eau.

Poussière de carneau de FEA

Cette poussière se compose de particules d’oxyde de fer produites dans le four électrique à arc durant la fabrication de l’acier et elle est collectée dans le système antipollution atmosphérique (c.-à-d. le dépoussiéreur à sacs filtrants). La poussière comprend en majeure partie de l’oxyde de fer avec de 10 à 15 % de zinc et des teneurs négligeables de plomb, de cadmium, de chrome et d’arsenic.

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Laitier de HF, laitier de CBO et laitier de FEA

Le laitier est un sous-produit de la fabrication de l’acier, obtenu dans le cadre du procédé HF, CBO ou FEA, et il est principalement non métallique. Le laitier de HF, de CBO ou de FEA contient beaucoup de calcium et il est utilisé comme granulat dans l’industrie de la construction.

Calamine

Les aciéries produisent de la calamine, qui est surtout de l’oxyde de fer; elle est réutilisée ou recyclée.

Liqueur de décapage épuisée

Le terme « liqueur de décapage épuisée » fait référence aux solutions qui contiennent des métaux solubles et des acides. On régénère souvent sur place l’acide épuisé, de façon à récupérer l’acide lui-même pour réutilisation et l’oxyde de fer comme produit. Cet acide peut également être une source de fer servant à éliminer les phosphates des eaux d’égout dans les stations d’épuration.

ANNEXE B – CLASSES D’ACIER INOXYDABLE

CATÉGORIES COURANTES DE FERRAILLE D’ACIER INOXYDABLE

Ferraille d’acier inoxydable de la série 200

La ferraille d’acier inoxydable de la série 200 inclut tous les types de ferraille propre de la série AISI qui contiennent au plus 0,5 % de cuivre.

Ferraille d’acier inoxydable

La ferraille d’acier inoxydable se compose de chutes de découpe et de solides en acier inoxydable propres de type 18-8 (série 300) contenant au moins 7 % de nickel et 16 % de chrome, au plus 0,5 % de phosphore et 0,03 % de soufre, et qui sont par ailleurs exempts de contaminants. La ferraille type provient de la fabrication d’éviers, de réservoirs, de tuyaux, etc.

Tournures d’usinage en acier inoxydable

Les tournures d’usinage en acier inoxydable se composent de tournures propres de type 18-8 (série 300) qui contiennent au moins 7 % de nickel et 16 % de chrome, et qui sont exemptes de métaux non ferreux, d’éléments non métalliques ainsi que d’une teneur excessive en fer, en huile ou en autres contaminants.

Ferraille d’acier inoxydable de la série 400

Cette catégorie se compose d’acier inoxydable propre de série 400 qui contient 0 % de nickel et de 10 à 17 % de chrome, et qui est par ailleurs exempt de contaminants.

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DÉCHETS ET SOUS-PRODUITS DE LA FABRICATION DE L’ACIER

Poussière de carneau de FEA

La poussière de carneau de FEA se compose de particules qui contiennent des substances métalliques, des oxydes et d’autres substances inorganiques, et qui sont produites par les fours électriques à arc durant la fabrication de l’acier; elle est collectée dans le système antipollution atmosphérique (c.-à-d. le dépoussiéreur à sacs filtrants).

Laitier de FEA

Le laitier de FEA est un sous-produit du processus de fabrication de l’acier à l’aide d’un four électrique à arc et il est surtout non métallique.

Liqueur de décapage épuisée

Il s’agit de solutions contenant des métaux solubles et des acides, et dont la teneur en acides est trop faible ou qui sont trop contaminées pour qu’on continue à les utiliser.

BIBLIOGRAPHIE

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