Economie circulaire : la valorisation des déchets de sable

Economie circulaire en fonderie

La valorisation des sables de fonderie répond à un impératif environnemental mais également à une logique économique.

Pour les fonderies qui mettent en œuvre de grandes quantités de sable dans leurs procédés de moulage et de noyautage, la régénération et le recyclage des déchets de sable et de fine sont devenus des enjeux majeurs.

Les déchets de sable et de fine de fonderie et leur gestion en interne.

Les déchets de sable concernent les fonderies qui mettent en œuvre des procédés de moulage et de noyautage à base de sable ; c’est-à-dire la grande majorité des fonderies françaises d’acier et de fonte (124 fonderies) ainsi que la moitié des fonderies de non ferreux (80 fonderies). Le sable de moulage est généralement régénéré et mis en recirculation tandis que le sable noyautage est très souvent du sable neuf. Les déchets de sable sont issus du circuit de régénération de sable de moulage ou du décochage (séparation pièces/moules). Ils sont composés de grains réfractaires (généralement siliceux) et d’un liant, soit argileux (sables à vert), soit à prise chimique (sables à prise chimique).

Carrière de sable

Des quantités très importantes de sable de fonderie à valoriser au travers de filières multiples (techniques routières…).

La régénération des sables de moulage est couramment mise en œuvre en fonderie. Elle consiste essentiellement en des opérations d’attrition et de définage. Une alternative est la régénération thermique, très efficace pour les sables à prise chimique (car elle permet l’obtention d’une qualité de sable identique à celle du sable neuf), mais dont la mise en œuvre est souvent freinée, d’une part par les niveaux d’investissement, d’autre part par le poids des démarches de demande d’autorisation d’exploiter auprès de l’administration.

Les fines de sable sont des résidus générés et collectés à l’occasion de l’épuration par filtration des effluents atmosphériques émis et captés en fonderie. Les fines sont essentiellement composées de silice avec des teneurs en composés organiques beaucoup plus importantes que dans les sables. Les fines de sablerie issues des opérations de manipulation de sable (régénération, moulage, décochage notamment) sont à distinguer des fines de dessablage (récupérées lors de l’opération de parachèvement), car elles sont plus chargées en composés organiques.

Un taux de régénération en constante augmentation

On estime à 350 000 tonnes la quantité de déchets de sable produits en France avec 70 % de déchets de sable à vert et 30 % de déchets de sable à prise chimique. Les volumes de fines générés annuellement en France sont eux estimés à environ 120 500 tonnes.

Si depuis vingt ans les fonderies françaises ont divisé par deux leurs achats de sable neuf (0,5 à 0,25 t de sable neuf/t de pièce produite) c’est parce qu’elles ont augmenté leur taux de régénération des sables, optimisé leurs procédés de noyautage et de moulage et réduit les pertes par grenaillage, décochage et transports du sable. Cependant, les coûts de mise en décharge et la pression réglementaire augmentant, la recherche de filières de valorisation devient pour les fondeurs une préoccupation croissante.

Les trois principales filières de valorisation des sables et fines en France

Actuellement ce type de déchets est valorisé principalement dans trois filières en France : la valorisation en remblais et sous-couches routières, le biotraitement puis remblayage et enfin la fabrication du ciment. Les fines peuvent suivre à priori les mêmes voies que celles des sables mais leur finesse et leur conditionnement en big-bags impliquent bien souvent une préparation sur des plateformes de regroupement.

Matériaux de remblayage et sous-couches routières

En raison de leur haute teneur en quartz, de leur granulométrie appropriée (entre 200 et 400 µm) et de leurs bonnes caractéristiques mécaniques, les sables usés de fonderie peuvent être appliqués comme substitut du sable vierge dans la construction de routes (terrassements et assises routières) et plus généralement en remblais. Il peut néanmoins être nécessaire, en fonction des performances à atteindre, de corriger la granularité des sables par apport de granulats naturels. De plus, les sables de fonderie sont valorisés dans la fabrication d’asphalte (en substitution des granulats fins) en Allemagne, au Royaume-Uni et aux Etats-Unis, mais très rarement en France.

La majorité des fonderies en France valorise ses sables et ses fines en remblais via des plateformes de regroupement qui préparent le sable (déferaillage, criblage, tamisage), le mélange avec d’autres sables et granulats naturels et éventuellement des liants pour fabriquer un matériau routier. Quelques fonderies valorisent également leur sable sur les routes ou en remblaiement de carrière directement avec des entreprises de travaux publics.

Biotraitement avant valorisation en remblais

Pour certaines catégories de déchets de sables riches en phénol, il existe une filière de biotraitement permettant de détruire les éléments organiques dans les sables avant la valorisation en remblais. Le principe du traitement est fondé sur l’aptitude des micro-organismes à dégrader les composés organiques qu’ils utilisent comme source carbonée pour produire de l’énergie nécessaire à leur survie. Les bactéries, cultivées en bassin et consommatrices de phénol, sont aspergées en solution aqueuse puis les sables sont stockés dans des stalles de maturation le temps du traitement biologique. Les sables biotraités sont ensuite valorisés en techniques routières, couvertures de décharge ou utilisés comme agent drainant dans des process de traitement de terres polluées. Le biotraitement des fines de sable est très limité par leur difficulté de mise en œuvre en milieu humide.

Recyclage en cimenterie

Les matières premières constituant le ciment sont : du calcaire (77 à 83%), du sable (13 à 14%), de l’alumine (2 à 4 %), de l’oxyde de fer (1,5 à 3%). Ce mélange est chauffé à haute température dans un four à plus de 1500°C où il se transforme en clinker.

L’intérêt des sables de fonderie pour la cimenterie est la silice incorporée au niveau du cru, en substitution de celle des produits de carrière. Les contraintes principales à l’acceptation des sables et des fines de fonderie pour une valorisation en cimenterie portent sur les teneurs en phénol et hydrocarbures, en chrome, zinc et en nickel. Les cimentiers n’acceptent pas les sables qui contiennent de la chromite, de la magnésie, du zircon ou de l’olivine même à l’état de trace.

En France toutes les cimenteries ne valorisent pas les sables et fines de sablerie car cela dépend de leur besoin en silice et de leur capacité de réception et de stockage des déchets sur leur site. A noter que pour les fines, les cimenteries exigent très souvent un transport en bennes ou en citernes, ce qui n’est pas le mode de conditionnement courant en fonderie (conditionnement en big-bags).

Les filières de valorisation moins répandues ou exploratoires

Il existe cependant d’autres filières moins répandus et pour certaines d’entre elles encore peu matures que les précédentes.

Dans la fabrication de produits en béton

Le béton est un mélange d’environ 80 % de sable et de gravillons, de 5 à 18 % de ciment et de 5 à 9 % d’eau. Les sables de fonderie peuvent être introduits dans le mélange à un taux de 5 à 10 % du mélange en substitution des sablons.

Tout comme les sables, les fines de sable peuvent être incorporées également dans le béton en substitution des sables. On a étudié la faisabilité à l’échelle laboratoire et pré-industrielle de l’introduction de fines de sable en substitution de 10% ciment et de 100 % du pigment.

En France, quelques fonderies valorisent leurs sables de fonderie dans le béton et même si cette filière a été validée par des projets de recherche, elle a du mal à se mettre en place.

Dans les produits de terre cuite

Le sable utilisé dans la fabrication de tuiles est constitué essentiellement de silice (exempt de calcaire) avec une granulométrie de 0,2 à 1 mm ; il joue le rôle de dégraissant dans le mélange de fabrication où les argiles naturelles présentent une plasticité excessive qui entraîne des difficultés de fabrication. Il donne aux produits une texture moins compacte, ce qui facilite l’évacuation de l’eau pendant le séchage et les dégagements gazeux pendant la cuisson. Par contre, il diminue la plasticité, la compacité et les propriétés mécaniques après cuisson.

Les sables de fonderies peuvent être utilisés à un taux de l’ordre de 15 à 30% du mélange argileux. L’intérêt des sables pour ce type de filière vient de sa granulométrie adaptée (comprise entre 0,25 et 0,4 mm) et de la présence d’éléments fondants dans les sables comme l’oxyde de fer (Fe2O3).

Dans l’horticulture et l’amendement de sols

Enfin, les sables de fonderie peuvent être utilisés comme composant de terres végétales manufacturées ou dans la production de composts. Le compostage est la transformation, par décomposition de matières organiques (matières végétales) en un matériau de type humus appelés « compost ». C’est une forme naturelle de recyclage qui se produit en permanence dans la nature. Le sable naturel est utilisé comme matériaux pour densifier et aérer les andains de compost de déchets verts. Il s’agit de marchés explorés aux Etats-Unis et dans les pays scandinaves depuis les années 2000.

De nombreuses filières de valorisation

Avec ces différentes filières, la profession de la fonderie dispose de plusieurs solutions matures ou plus innovantes de valorisation du sable de fonderie.

4 commentaires

  1. Lecacheux says

    Merci pour cet article très intéressant. Quel est le taux moyen de régénération des sables aujourd’hui ?

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Benoit, merci de votre avis très positif sur cet article. Il faut sans doute distinguer la régénération des sables à prise chimique de celle des sables silico-argileux (sable à vert). Pour les sables à prise chimique, les technologies sont matures (mécanique ou thermique) et le taux de recyclage est élevé (85-95%). Seules les fonderies de faible volume ne sont pas équipées de techniques de recyclage interne. Pour les sables silico-argileux, le taux de régénération (mécanique) est plus élevé (97-98% environ). A l’heure actuelle, seule une faible quantité de sable n’est pas régénérée (environ 350 000 t par an); elle est valorisée (TP, cimenterie) ou mise en décharge interne car le coût de mise en décharge externe est important (> 80 €/tonne de sable).

  2. Benoit Augendre says

    L’article est très intéressant pour les fonderies mais les études à mener sont complexes et demande beaucoup de rigueur sur l’exploitation des résultats sur les matières sortantes telles que les fines et le sable. Ce qui ne facilite pas pour la suite la valorisation de ses matières

    • Le métallonaute
      Le métallonaute says

      Bonjour Benoit. Vous avez raison, les études sont complexes et il faut être vigilant à tous les effets croisés engendrés par une filière qui permettrait d’augmenter la valorisation des déchets de sables tout en générant d’autres nuisances (déchets de fines, transport supplémentaire….). C’est en participant à des actions de démonstration et en gardant une vision globale des filières, que CTIF souhaite accompagner les fondeurs.

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