Freedom - Des réfractaires dolomitiques usagés à la production de magnésium métal

Freedom ULG-Intelligence artificielle et robotique:

Le cœur du projet Freedom ULiège est le développement d'une technologie de rupture de tri automatisé de matériaux réfractaires en fin de vie. Cette technologie constitue, avec les procédés hydrométallurgique et de réduction carbothermique développé au sein du portefeuille de projet Freedom une des trois briques technologiques innovante visant à mettre en place, en Région Wallonne, une filière de production de magnésium à partir de produits en fin de vie et de matières premières secondaires issues de l'économie circulaire.

La technologie de tri proposée repose sur la fusion et la classification à l'aide d'algorithmes d'intelligence artificielle, de données d'une combinaison inédite de capteurs (3D, couleur, Rayons X Transmis et Laser Induced Spectroscopy) permettant de capturer le maximum de la valeur économique et environnementale contenue dans ces réfractaires usagers en maximisant leur recyclage dans des filières à hautes valeurs ajoutées.

C'est également dans le cadre de ce projet que l'analyse des impacts environnementaux de la filière complète proposée dans le portefeuille Freedom sera réalisée. Cette analyse est particulièrement importante dans ce secteur de la métallurgie du magnésium dont les méthodes de production actuelles sont particulièrement énergivores et impactantes pour l'environnement.

Freedom CTP:

Le projet Freedom CTP comporte deux axes.

Le premier vise l'extraction chimique et la récupération de l'oxyde de magnésium contenu dans les réfractaires dolomitiques usagés. Ces réfractaires constituent des déchets ultimes et sont habituellement mis en décharge pour matières dangereuses. L'extraction de l'oxyde de magnésium est effectuée par un procédé innovant menant à la production d'un carbonate ou d'un hydroxyde de magnésium à haute valeur ajoutée. Le procédé est peu énergivore et a une faible empreinte environnementale. L'objectif de la recherche est d'optimiser le procédé à l'échelle laboratoire et de démontrer ses performances à l'échelle pilote à l'aide d'un équipement acquis dans le projet MC² - CTP du portefeuille MC² Mineral Circular Center.

Le second axe du projet Freedom CTP vise la démonstration d’un nouveau procédé de réduction de l’oxyde de magnésium en métal. Il doit permettre une progression dans la chaîne de valeur et la sécurisation de l'approvisionnement en Wallonie et en Europe d'un métal clé pour la réduction de nos émissions de CO2. Le procédé développé a l'avantage d'être beaucoup plus efficient que les procédés concurrents. Dans le cadre du projet Freedom CTP, des essais pilotes seront menés à l'aide d'un équipement acquis dans le projet MC² CTP (portefeuille MC² Mineral Circular Center) afin de mettre en évidence les avantages de la nouvelle technologie.

Grâce au développement de ces nouvelles technologies, le projet Freedom CTP doit promouvoir la création en Wallonie d'une nouvelle filière qui va renforcer la circularité des matériaux et réduire la dépendance wallonne et européenne aux importations chinoises.

Freedom INISMA:

Malgré une abondance naturelle élevée (2.3% dans la croûte terrestre et troisième élément le plus abondant dissous dans l’eau de mer), l’extraction du magnésium exerce un lourd impact sur les paysages et les écosystèmes. De nos jours, environ 85% du magnésium métallique et plus de 50% de la magnésie exportés dans le monde viennent de Chine. Les deux autres gisements les plus importants se trouvent en Russie et en Corée du Nord.

Afin de contourner les limitations d’accès géostratégiques et le quasi-monopole chinois sur cette matière, sans pour autant détruire les ressources naturelles locales, le géant RHI-Magnesita a développé une filière de recyclage de déchets magnésiens et vise un taux de recyclage de plus de 10% d’ici 2025, ce qui permet d’économiser 1,8 tonnes de CO2 pour chaque tonne de magnésie recyclée utilisée.
De par son activité sidérurgique, la Wallonie dispose elle aussi d’un flux important de déchets magnésiens non valorisés.

Le projet FREEDOM-INISMa veut contribuer au développement d’une filière wallonne de production de magnésie-magnésium, au départ de ce gisement de déchets.

FREEDOM-INISMa vise 2 objectifs :

Cartographier l’ensemble des fournisseurs de matériaux usagés riches en magnésium, en Wallonie et hors Wallonie. Ce travail inclut aussi l’analyse des matériaux usagés disponibles.

Diversifier le potentiel de valorisation, en développant une solution industrielle à haute valeur ajoutée et à faible empreinte environnementale qui utilisera massivement la magnésie pure obtenue grâce au procédé développé dans le projet FREEDOM-CTP. Pour ce 2ème objectif, l’INISMa cible la fabrication additive de pièces céramiques destinées aux secteurs de la fonderie et de la métallurgie des poudres.

Freedom CRM:

Le coeur du projet Freedom CRM est le développement d'un procédé innovant de production de magnésium (Mg) métallique à partir de magnésie (MgO). Ce projet vient en complément du tri automatisé de matériaux réfractaires en fin de vie et d’un procédé hydro-métallurgique visant à en extraire de la magnésie, développés au sein d’autres projets du portefeuille FREEDOM. Ensemble, ces projets ambitionnent de mettre en place, en Région Wallonne, une filière complète de production de magnésium à partir de produits en fin de vie et de matières premières secondaires issues de l'économie circulaire. La sécurisation de l’approvisionnement en magnésium métal permettra une utilisation plus répandue d’alliages légers, nécessaire notamment à une réduction de la consommation énergétique dans les transports.

L’étude et la mise au point du procédé de production de magnésium métallique (de TRL3 à TRL5) reposera sur les étapes suivantes :

Tout d’abord, la magnésie sera conditionnée en labo puis à l’échelle pilote sous la forme d’agglomérés auto-réductibles (MgO + carbone) de caractéristiques bien définies, permettant leur utilisation optimale dans l’étape de réduction carbo-thermique. L’utilisation de carbone issu du recyclage de plastiques ou de batteries en fin de vie y sera considéré, en lien avec le projet FREEDOM ULG.

La réduction carbo-thermique consiste à porter un lit de ces agglomérés à haute température par chauffage électrique et sous gaz inerte, de manière à volatiliser le magnésium et le récupérer ensuite par une technique originale de trempe à plus basse température via un métal collecteur tel que l’étain (Sn), permettant sa récupération sans réoxydation. Les paramètres opératoires optimaux de ce procédé innovant seront établis au sein du projet FREEDOM CRM en combinant simulation thermodynamique et essais de laboratoire ; cela débouchera sur des recommandations et ‘design data’ pour le prototype de réduction carbo-thermique qui sera construit dans le cadre de l'écosystème "MC2".

Les essais de réduction proprement dits, réalisés sur ce prototype, permettront de produire de l’ordre d’un à quelques kilogrammes par essai d’un alliage associant magnésium et son métal collecteur.

Enfin, cet alliage (typiquement Mg-Sn) sera purifié par distillation sous vide pour obtenir du Mg métallique utilisable dans des applications et produits à haute valeur ajoutée. Les puretés obtenues permettront au projet FREEDOM SIRRIS d’évaluer les possibilités de valorisation dans plusieurs débouchés.
Toutes les données process calculées ou collectées lors des essais alimenteront le projet FREEDOM ULG pour la réalisation d’une analyse des impacts environnementaux de la filière complète, importante dans ce secteur de la métallurgie du magnésium dont les méthodes de production actuelles sont particulièrement énergivores et impactantes pour l'environnement.