La section suivante décrit le procédé de fusion électrolytique employé par nos fonderies de zinc pour obtenir leurs produits.
Raffinage électrolytique
Le raffinage de zinc est le procédé de récupération et de raffinage du zinc métal à partir de matières premières zincifères contenant du zinc comme les concentrés de zinc ou les oxydes de zinc. Les procédés de raffinage du zinc utilisés sont globalement de deux natures :
(i) un procédé pyrométallurgique mené à haute température pour produire du zinc liquide et
(ii) un procédé hydrométallurgique ou électrolytique employant une solution aqueuse en combinaison avec l’électrolyse pour obtenir un dépôt de zinc solide.
La grande majorité des fonderies de zinc occidentales emploient le procédé électrolytique, également appelé procédé RLE (grillage, lixiviation et électrolyse), en raison des divers avantages qu’il présente sur le procédé pyrométallurgique (globalement meilleur rendement énergétique, taux de récupération plus élevés, plus facile à automatiser, donc à productivité plus élevée, etc.).
Toutes les fonderies de Nyrstar emploient le procédé de raffinage électrolytique.
Aperçu général du procédé
Le procédé de raffinage électrolytique du zinc peut être divisé en un certain nombre d’étapes génériques séquentielles, présentées dans le diagramme ci-dessous.
Source: Brook Hunt
En bref, la séquence du procédé est la suivante :
Etape 1: Réception et stockage des matières premières (concentrés et matières secondaires telles qu’oxydes de zinc) ;
Etape 2: Grillage: une étape d’oxydation qui élimine le soufre des matières premières sulfurées, générant une calcine ;
Etape 3: La lixiviation transforme le zinc contenu dans la calcine en une solution telle que le sulfate de zinc en utilisant de l’acide sulfurique dilué ;
Etape 4: Purification: élimination des impuretés susceptibles d’affecter la qualité du processus électrolytique (cadmium, cuivre, cobalt ou nickel) à partir du lixiviat ;
Etape 5: Electrolyse ou électrowinning: extraction de zinc métal à partir de la solution purifiée par électrolyse, laissant un dépôt de zinc métal (cathodes de zinc); et
Etape 6: Fusion et coulée: fusion des cathodes de zinc employant généralement des fours à induction électrique et coulée du zinc fondu en lingots.
Des étapes supplémentaires peuvent être ajoutées au procédé de transformation du zinc pur (en général du zinc pur à 99,995% appelé Special High Grade (« SHG ») en divers types d’alliages ou d’autres produits commercialisables.
Présentation détaillée des phases du procédé
Les différentes étapes du procédé sont décrites de manière plus détaillée ci-dessous.
Etape 1: Réception et stockage des matières premières
Les fonderies utilisent un mélange de concentrés ou de matières secondaires zincifères telles que les oxides de zinc pour alimenter leur unité de grillage. Les fonderies d’Auby et de Balen, en particulier, se caractérisent par un emploi relativement important de matières secondaires. Les fonderies situées loin du littoral reçoivent leurs matières premières par voie routière, ferroviaire ou fluviale selon les facteurs logistiques propres au site et le type de matières premières (les oxydes de zinc secondaires sont livrés en plus faibles volumes et généralement transportés par la route). Les livraisons de concentrés concernent généralement des lots importants (entre 5 000 et 10 000 tonnes).
Les fonderies européennes de Nyrstar sont situées stratégiquement, à proximité du port d’Anvers qui sert de pivot pour le transit de concentrés et possède une importante infrastructure multimodale reliant la Belgique, les Pays-Bas et la France. Les fonderies australiennes de Nyrstar se situent sur la côte ou à proximité, ce qui permet un accès maritime direct, tandis que Clarksville est reliée au grand port de la Nouvelle-Orléans par voie fluviale (Mississippi et Cumberland).
La plupart des fonderies de zinc utilisent des concentrés provenant de plusieurs sources. Ces différentes matières sont mélangées de manière à obtenir une charge optimale pour le procédé de grillage.
Etape 2: Grillage
Par le procédé de grillage, les sulfures de zinc contenus dans les concentrés sont convertis en oxyde de zinc, appelé calcine. Un four de grillage fonctionne à une température d’environ 950°C et génère assez d’énergie pour que le procédé soit autogène. Le procédé de grillage est entièrement automatisé, contrôlé et commandé à partir d’une salle de commande centrale. Nyrstar exploite des fours de grillage parmi les plus grands au monde, construits sur le modèle de ceux qui sont utilisés partout dans le secteur (par ex. le four de grillage à lit fluidisé
Lurgi-VM, mis au point à Balen).
L’étape de grillage aboutit à la production de calcine (transportée vers l’unité de lixiviation) et de gaz de combustion riches en dioxyde de soufre. Des chaudières de récupération de chaleur éliminent la calcine continue dans ces gaz et récupèrent la chaleur sous forme de vapeur qui est utilisée par l’unité de lixiviation et/ou convertie en électricité. Le dioxyde de soufre est converti en acide sulfurique par un procédé de contact, qui génère un’importants sous-produits du raffinage.
Etape 3: Lixiviation
Le principal objectif du procédé de lixiviation est la dissolution de l’oxyde de zinc contenu dans la calcine grillée et sa transformation en sulfate de zinc avant électrolyse. Ce procédé emploie de l’acide sulfurique dilué. Environ 90% du zinc contenu dans la calcine de grillage est sous la forme d’oxyde de zinc, le reste se présentant sous la forme de ferrite de zinc, un oxyde fer-zinc. L’oxyde de zinc peut être lixivié avec des solutions d’acide sulfurique dilué, mais pour la lixiviation de zinc à partir de ferrites, une acidité plus agressive est nécessaire. Le zinc se dissout tandis que les autres métaux se présentent sous la forme d’un solide globalement appelé « Produit de lixiviation ». Ce produit de lixiviation contenant des métaux précieux est vendu comme sous-produit à des tiers, qui procéderont à son affinage. Le fer dissout est éliminé de la solution de sulfate de zinc sous forme de goethite, de jarosite ou d’hématite, qui est généralement stockée en bassin.
Etape 4: Purification
La solution de lixiviation est ensuite envoyée à une installation de purification qui élimine d’autres impuretés non ferreuses dissoutes comme le cadmium, le cuivre, le cobalt ou le nickel, qui peuvent également affecter l’électrolyse. Ces impuretés sont éliminées par cémentation en ajoutant de la poussière de zinc à la solution. Les sous-produits qui en résultent sont généralement vendus à des tiers, qui procéderont à leur affinage. La solution de sulfate de zinc purifiée est envoyée à la halle d’électrolyse pour la phase d’électrowinning du procédé de fusion.
Etape 5: Electrolyse
Le zinc métal est extrait de la solution purifiée par électrolyse. Un courant électrique passe dans la solution et le zinc est déposé sur des cathodes d’aluminium. Ces cathodes sont extraites des cellules à intervalles réguliers et strippées de leur dépôt de zinc. La plupart des fonderies Nyrstar emploient un procédé mécanisé et automatisé de stripping initialement mis au point à l’usine de Balen.
Le zinc produit par le procédé d’électrolyse est typiquement de qualité SHG et contient 99,995% de zinc.
La phase d’électrolyse utilise de grandes quantités d’énergie électrique et elle est responsable de la forte proportion du coût énergétique du procédé d’affinage. La productivité de la halle d’électrolyse (le courant électrique et le rendement énergétique en particulier) constitue donc un élément crucial de l’efficacité globale de l’unité. Nyrstar exploite des halles d’électrolyse qui figurent parmi les plus grandes et les plus efficaces au monde.
Etape 6: Fusion et coulée
Selon le type de produits finaux obtenus, les cathodes de zinc provenant de l’unité d’électrolyse peuvent subir une étape de transformation supplémentaire dans la fonderie. Les cathodes de zinc sont fondues dans des fours à induction et coulées en produits commercialisables, tels que des lingots. D’autres métaux et composants d’alliage peuvent leur être ajoutés pour produire des alliages de zinc utilisés pour des applications de coulée sous pression ou de galvanisation générale. Enfin, le zinc fondu peut être transporté vers des unités de conversion voisines ou des tiers, dans des conteneurs isolés conçus spécialement à cet effet. C’est le cas de Balen et Budel.
