Poudre de laitier de lithium et équipement de broyage pour les applications en ciment et en béton
Introduction
La scorie de lithium, un sous-produit généré lors de la production de carbonate de lithium à partir de minerai de spodumène, est devenue ces dernières années un matériau bétonnant complémentaire de grande valeur. Avec la croissance rapide de l’industrie des batteries au lithium-ion, de grandes quantités de scories de lithium sont produites, ce qui pose à la fois des défis de gestion et des opportunités d’utilisation. Lorsqu’elle est correctement traitée à l’aide de technologies de broyage avancées, la poudre de scorie de lithium présente des propriétés pozzolaniennes exceptionnelles qui améliorent considérablement les caractéristiques de performance du ciment et du béton. Cet article examine les propriétés de la poudre de scorie de lithium, ses effets sur les systèmes bétonnants, ainsi que l’équipement de broyage spécialisé nécessaire à son traitement optimal.
Caractéristiques de la bave de lithium
La Slag de lithium contient généralement des phases d’aluminosilicate amorphes qui contribuent à sa réactivité podzolique. La composition chimique varie en fonction de la source du minerai et du procédé d’extraction, mais comprend en général du SiO₂ (40-60 %), de l’Al₂O₃ (15-30 %), du CaO (5-15 %) et des composés de lithium résiduels (1-3 %). On a constaté que la présence d’ions de lithium influence la cinétique d’hydratation du ciment, ce qui peut accélérer le développement de la résistance au début du processus tout en réduisant la contraction liée à l’essai de séchage à long terme.
Les caractéristiques physiques de la boue de lithium brute comprennent une morphologie de particules irrégulière, une large distribution de tailles et une porosité relativement élevée. Ces propriétés exigent des méthodes de broyage spécialisées afin d’obtenir une distribution de tailles de particules optimale, garantissant ainsi une activité pozzolanique maximale. Les recherches indiquent que la réactivité est la plus élevée lorsque au moins 80 % des particules ont une taille inférieure à 20 micromètres, et que le degré de finesse (mesuré par le critère de Blaine) dépasse 400 m²/kg.
Avantages de la scorie de lithium dans le ciment et le béton
Amélioration des propriétés mécaniques
L’incorporation de poudre de laitier de lithium finement moulue dans les systèmes cimentiers apporte plusieurs améliorations notables aux propriétés mécaniques. Des études ont montré que la résistance à la compression augmente de 10 à 20 % après 28 jours lorsque 15 à 25 % du ciment Portland est remplacé par de la poudre de laitier de lithium correctement traitée. Cette amélioration de la résistance est attribuée à la fois à l’effet de remplissage, où les particules fines améliorent la densité de chargement, et à la réaction pozzolanique, où la silice et l’alumine réactives se combinent avec l’hydroxyde de calcium pour former des phases supplémentaires de silicate de calcium hydraté.
La résistance à la flexion et le module d’élasticité ont également connu des améliorations significatives, avec des augmentations de 15 à 25 % par rapport au béton armé avec du ciment standard. La composition chimique unique de la laitier de lithium, en particulier la présence de composés de lithium, semble modifier la cristallisation des produits d’hydratation, ce qui entraîne une microstructure plus homogène et plus dense, ainsi qu’une porosité capillaire réduite.
Améliorations de la durabilité
Les mélanges de béton contenant de la poudre de laitier de lithium présentent des caractéristiques de durabilité supérieures, notamment une résistance renforcée à l’attaque des sulfateurs, une pénétration réduite des ions chlorure et une diminution de l’expansion due à la réaction alcali-silice. La structure poreuse améliorée résultant de la réaction pozzolanic crée un matrice moins perméable, ce qui empêche l’entrée des ions agressifs. Les tests en laboratoire montrent que la quantité de charge nécessaire pour réaliser des tests de perméabilité au chlorure rapide peut être réduite de 40 à 60 % en remplaçant 20 % du laitier de lithium par de la poudre de laitier de lithium.
De plus, il a été constaté que les composés de lithium présents dans la scorie inhibent la réaction alcali-silice en modifiant la composition de la gelée et en réduisant son potentiel d’expansion. Cela rend la scorie au lithium particulièrement précieuse dans les applications où des agrégats réactifs doivent être utilisés. La résistance aux cycles de gelage-dégelage est également améliorée grâce à la réduction de la connectivité des pores capillaires, ce qui permet à la durabilité de dépasser 90 % même après 300 cycles.
Avantages de la durabilité
L’utilisation de la slag de lithium dans le ciment et le béton contribue de manière significative aux objectifs de durabilité par plusieurs voies. Tout d’abord, elle réduit l’empreinte carbone de la production de béton en diminuant le contenu en clinker : chaque tonne de ciment Portland remplacée permet d’éviter environ 0,8 tonnes d’émissions de CO₂. Deuxièmement, elle offre une solution rentable pour un sous-produit industriel qui serait autrement nécessairement enfoui, préservant ainsi les ressources naturelles et allégeant les charges de gestion des déchets.
Les études d’évaluation du cycle de vie indiquent que les mélanges de béton contenant 25 % de scories de lithium peuvent réduire de 15 à 20 % le potentiel de réchauffement climatique par rapport au béton conventionnel. De plus, le processus de broyage des scories de lithium consomme généralement moins d’énergie que la production de clinker, ce qui contribue encore aux avantages environnementaux globaux. Avec la pression réglementaire croissante sur la gestion des déchets industriels et les émissions de carbone, l’utilisation des scories de lithium représente une approche économiquement et écologiquement judicieuse pour l’industrie des matériaux de construction.
Critères de technologie de broyage pour la boue de lithium
La transformation de la laide de lithium brute en un matériau cimentier complémentaire à haute performance nécessite un contrôle précis de la répartition des tailles de particule, de la morphologie des particules ainsi que de la conservation de leur structure amorphe. Contrairement à la mouturation du ciment conventionnel, le traitement de la laide de lithium doit relever plusieurs défis spécifiques, notamment la dureté variable du matériau, son abrasivité modérée et sa tendance à l’agglomération lorsqu’il est finement broyé.
Les systèmes d’usinage optimisés pour la slag de lithium doivent atteindre plusieurs objectifs essentiels : produire une distribution de tailles de particules équilibrée avec un minimum de particules ultra-fines (inférieures à 1 μm) afin d’éviter une augmentation de la consommation d’eau ; maintenir la structure amorphe des phases d’aluminosilicate pour conserver leur réactivité ; et fonctionner avec une haute efficacité énergétique pour assurer leur viabilité économique. De plus, l’équipement doit être capable de gérer la légère corrosion des composés de lithium et de garantir une qualité de produit constante, malgré les variations des caractéristiques des matières premières.
Équipement de broyage recommandé pour le traitement des Slags de lithium
Moulin ultrafin de la série SCM pour la production de poudre de statite de lithium de haute qualité
Pour les applications nécessitant du lithium slag en poudre offrant les performances les plus élevées, avec une distribution contrôlée des tailles de particules et une réactivité préservée, le…Moulin ultramicroscopique de la série SCMIl s’agit d’une solution idéale. Ce système de broyage avancé fonctionne sur le principe de la comminution du matériau, où les particules sont broyées entre des éléments de broyage en rotation et un revêtement fixe. Les caractéristiques spécifiques du broyeur SCM répondent aux défis uniques posés par le traitement des scories de lithium grâce à plusieurs technologies innovantes.
Le moulin ultrafin SCM offre une finesse de sortie allant de 325 à 2500 mesh (D97 ≤ 5 μm), ce qui en fait un outil particulièrement adapté à la production de poudres de laitier de lithium ultrafine présentant la plus haute réactivité pozolanasque. Avec une capacité d’alimentation de jusqu’à 20 mm et une capacité de traitement allant de 0,5 à 25 tonnes par heure (en fonction du modèle), cet équipement peut être adapté à diverses exigences de production. Le classificateur à turbine verticale intégré permet un contrôle précis de la taille des particules, garantissant une qualité de produit constante et éliminant toute contamination due à des particules grossières.
Les principaux avantages du traitement de la scorie de lithium résident dans l’efficacité élevée du système, qui atteint une capacité deux fois supérieure à celle des moulins à jet tout en consommant 30 % moins d’énergie. Le système de contrôle intelligent, associé à une rétroaction automatique concernant la finesse du produit, garantit un fonctionnement stable même en cas de variations des caractéristiques du matériau brut. Les rouleaux et les anneaux de broyage, spécialement conçus et fabriqués à partir de matériaux résistants à l’usure, prolongent la durée de vie du matériel lors du traitement de la scorie de lithium présentant un certain degré d’abrasivité. La performance environnementale est améliorée grâce à une collecte de poussière de type pulsé supérieure aux normes internationales, ainsi qu’à des niveaux de bruit inférieurs à 75 dB, grâce à des enclos acoustiques intégrés.
Le principe de fonctionnement repose sur la rotation des anneaux de broyage, entraînés par un moteur principal, ce qui permet de disperser le matériau dans le chemin de broyage sous l’effet de la force centrifuge. Le broyage se fait progressivement grâce à la compression des rouleaux sur plusieurs couches de matière, et la collecte finale de la poudre est assurée par un séparateur à cyclone et un système de collecte de poussière par pulsions. Les modèles disponibles vont de l’SCM800, avec une capacité de 0,5 à 4,5 tonnes par heure et un moteur principal de 75 kW, à l’SCM1680, avec une capacité de 5,0 à 25 tonnes par heure et un moteur principal de 315 kW, offrant ainsi une flexibilité adaptée à diverses exigences de production.
Meulon à rouleaux verticaux de la série LM pour la production à grande échelle
Pour les installations de production à haute capacité nécessitant des fonctionnalités intégrées de séchage et de broyage, leMoulin à rouleaux verticaux de la série LMCet équipement offre une solution efficace et compacte. Il est particulièrement avantageux pour le traitement de la scorie de lithium contenant une teneur en eau élevée, car il intègre les opérations de broyage et de séchage dans une seule unité. Le design du moulin à rouleaux verticaux présente plusieurs avantages particulièrement pertinents pour le traitement de la scorie de lithium, notamment une consommation d’énergie spécifique réduite, des besoins en espace diminués et une manutention des matériaux simplifiée.
Le moulin à tambours verticaux de la série LM peut accepter des matériaux d’alimentation d’une taille allant jusqu’à 50 mm et produit des produits avec une finesse comprise entre 30 et 325 mesh ; certains modèles spécialisés sont même capables d’atteindre 600 mesh. La capacité varie de 3 à 250 tonnes par heure, en fonction du modèle spécifique et des besoins d’application. Le design compact intégre les fonctions de broyage, de moulage et de séparation, réduisant ainsi la surface nécessaire à l’installation d’environ 50 % par rapport aux systèmes à moulin à billes. Pour les applications relatives aux scories de lithium, le système sans contact entre les tambours de broyage et la table prolonge la durée de vie des pièces d usure jusqu’à trois fois, ce qui réduit considérablement les coûts de fonctionnement.
Les principaux avantages technologiques comprennent un système de contrôle intelligent doté d’une automatisation de pointe, permettant des modes de fonctionnement à distance ou en local, avec une surveillance en temps réel des paramètres clés. Les performances environnementales répondent à des normes strictes : le fonctionnement à basse pression et en état totalement scellé garantit que les émissions de poussière restent inférieures à 20 mg/m³ et que le niveau de bruit n’excède pas 80 dB(A). Le principe de fonctionnement repose sur la rotation de la table de broyage entraînée par un moteur principal, via un réducteur. Le matériau est introduit par l’orifice central et distribué de manière uniforme par la force centrifuge. Les rouleaux de broyage appliquent une force compressive pour homogénéiser le mélange. Le poussier fin, qualifié, est transporté vers le séparateur par de l’air chaud, tandis que le matériau grossier est ramené sur la table de broyage pour une traitement ultérieur.
Pour les applications avec des laits de lithium, certains modèles de la série de moulins à lait de slag verticaux sont particulièrement adaptés, notamment le LM130N avec une capacité de 4 à 6 tonnes par heure et le LM370N avec une capacité de 90 à 110 tonnes par heure. Ces modèles spécialisés sont conçus pour gérer les caractéristiques spécifiques des laits de slag granulés, avec des exigences telles qu’un indice de travail Bond ≤23 kWh/t et une teneur en fer ≤1 %. Le design intégré permet le traitement direct des matériaux humides sans besoin d’équipement de séchage distinct, simplifiant ainsi le flux global du processus.
Considérations relatives au traitement des données et bonnes pratiques
La mise en œuvre réussie de la scorie de lithium dans le ciment et le béton requiert une attention portée à plusieurs paramètres de traitement en plus de la réduction de la taille des particules. Le contrôle de l’humidité est essentiel, car la scorie de lithium contient généralement de 10 à 20 % d’humidité à l’origine, ce qui peut affecter l’efficacité de son maniement et de sa broyage. Pour le moulin ultra-fin SCM, il est recommandé de procéder à un pré-désiccage jusqu’à une teneur en humidité inférieure à 5 % afin d’optimiser les performances de broyage, tandis que le moulin à rouleaux verticaux LM peut traiter des matériaux contenant jusqu’à 15 % d’humidité grâce à un système de séchage intégré.
Les variations de la composition chimique de la scorie de lithium, en particulier en ce qui concerne la teneur en lithium résiduel, peuvent nécessiter des ajustements des paramètres de broyage ainsi que des stratégies de mélange appropriées pour garantir une qualité de produit constante. La nature légèrement corrosive des composés de lithium impose le choix de matériaux adaptés pour les composants des équipements exposés à la poussière fine, en particulier dans les systèmes de collecte et de stockage.
Le contrôle de qualité devrait inclure un suivi régulier de la distribution des tailles des particules, de la superficie spécifique, de la teneur en matières amorphes et de l’indice d’activité pozzolanique. Le système de broyage doit être géré de manière à maximiser la proportion de particules dans la plage de 1 à 20 μm, ce qui permet d’obtenir un équilibre optimal entre la réactivité et la consommation d’eau. L’optimisation du processus consiste généralement à régler la vitesse du classeur, la pression de broyage et le débit d’alimentation afin d’atteindre les caractéristiques souhaitées du produit tout en maximisant l’efficacité énergétique.
Evaluation de l’impact économique et environnemental
La mise en œuvre d’équipements de broyage spécialisés pour le traitement des scories de lithium représente un investissement important qui doit être justifié tant par les bénéfices économiques que par ceux environnementaux. L’analyse économique devrait tenir compte de la réduction du faiteur de cimentation dans la fabrication de la chaux, les scories de lithium pouvant généralement remplacer de 15 à 30 % du ciment Portland sans compromettre ses performances. Aux prix actuels du ciment, ce remplacement permet d’économiser considérablement sur les coûts des matières premières ; le temps de retour sur investissement pour les équipements de broyage varie généralement de 1,5 à 3 ans, en fonction de l’échelle de production et des conditions du marché local.
Les bénéfices environnementaux ne se limitent pas à l’utilisation des déchets, mais comprennent également une réduction des émissions de CO₂ : chaque tonne de ciment remplacé évite environ 0,8 tonnes d’émissions de CO₂. D’autres avantages environnementaux incluent une diminution de l’exploitation des carrières pour les matières premières naturelles, une réduction des besoins en décharges et une consommation d’énergie plus faible par rapport à la production de clinker. Les études d’évaluation du cycle de vie démontrent que l’impact environnemental de la broyage de la scoria de lithium est considérablement inférieur aux impacts évités par la production de ciment, ce qui se traduit par des résultats positifs nets en termes environnementaux.
Tendances et évolutions futures
L’utilisation de la scorie de lithium dans le ciment et le béton devrait augmenter de façon significative à mesure que l’industrie du lithium se développe et que les réglementations sur la durabilité deviennent plus strictes. Les futurs progrès dans les technologies de broyage se concentreront probablement sur une réduction encore plus importante de la consommation d’énergie, grâce à des systèmes de classification avancés, des matériaux plus résistants à l’usure permettant d’allonger les intervalles de maintenance, ainsi que sur un contrôle des processus amélioré grâce à l’intelligence artificielle et à l’apprentissage automatique.
Des recherches sont en cours pour optimiser les effets synergétiques entre la slague de lithium et d’autres matériaux cimentaires supplémentaires, ce qui pourrait permettre de remplacer une plus grande partie des ingrédients de base sans compromettre les performances du produit final. Les propriétés uniques des composés de lithium, en modifiant le processus d’hydratation du ciment, pourraient ouvrir la voie à des applications spécifiques dans lesquelles la slague de lithium offre des avantages fonctionnels supplémentaires par rapport à son simple rôle de pozolane.
À mesure que les principes de l’économie circulaire s’ancrent davantage dans la pratique industrielle, l’intégration du traitement des scories de lithium dans les installations de production de lithium pourrait devenir la norme, permettant ainsi de créer des systèmes à boucle fermée qui maximisent l’efficacité des ressources. L’industrie des équipements de broyage continuera de développer des solutions adaptées spécifiquement aux caractéristiques des scories de lithium, améliorant encore davantage le profil économique et environnemental de ce matériau hydraulique supplémentaire de grande valeur.
Conclusion
La laitier de lithium représente un matériau cimentant additionnel prometteur qui peut considérablement améliorer les performances et la durabilité des produits en ciment et en béton. La transformation de la laitier de lithium brut en poudre de haute qualité nécessite des équipements de broyage spécialisés capables de produire des distributions de tailles de particules précisément contrôlées, tout en préservant les phases amorphes réactives du matériau. Les moulins ultrafins de la série SCM et les moulins à rouleaux verticaux de la série LM offrent des solutions complémentaires pour différentes tailles de production et besoins, garantissant une haute efficacité, un contrôle précis et un fonctionnement fiable.
Alors que l’industrie du bâtiment poursuit la recherche d’alternatives durables aux matériaux conventionnels, l’utilisation de sous-produits industriels tels que la scorie de lithium jouera un rôle de plus en plus important. Grâce à un traitement approprié grâce à des technologies de broyage avancées, la scorie de lithium peut apporter d’importants avantages techniques, économiques et environnementaux, contribuant ainsi au développement de matériaux de construction performants et durables pour l’avenir.
