Les sables de Fontainebleau - Du gisement à la verrerie

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mines & carrières 199 - janvier 2013

 

À l’occasion d’une journée technique organisée par le district Centre-Ouest de la Sim, une trentaine de personnes s’est rendue dans les carrières et les installations de traitement des sables de Fontainebleau, à 80 km au sud de Paris. Trois sites ont été visités : deux de la société Fulchiron à Maisse, dans l’Essonne, et celui de la société Samin à Buthiers, en Seine-et-Marne.

 

Après une présentation générale sur les sables par le Mif (lire l’encadré “Les sables siliceux en France”), Jean Fulchiron a présenté sa société. Créée en 1920, elle produit 2,2 Mt de sables par an. Dans l’Essonne, un million de tonnes de sables siliceux est destiné chaque année à la verrerie, à la fonderie, au bâtiment, aux sables correcteurs, aux colles, au ragréage, à la céramique (lire l’encadré “Fulchiron industrielle”).

Sur les sites de Maisse et de Milly-la-Forêt, la société Fulchiron industrielle exploite trois carrières séparées de quelques kilomètres : celles du Chenay et de la Comble, à Maisse, et celle du Bois-rond à Milly-la-Forêt (91). Sur ces sites, deux usines assurent le traitement des sables : l’usine historique du Chenay et celle de la Comble mise en service en 2011.

Une extraction à la chargeuse

Sur les trois sites, les gisements sont similaires et relativement homogènes. La découverte est constituée d’une couche de calcaires marneux plus ou moins durs, d’une épaisseur de 10 à 22 m. Ces calcaires ne sont pas valorisés, mais utilisés pour le réaménagement du site.

En dessous, le gisement comprend 30 à 40 m de sables, avec quelques dépôts lacustres de calcaire marneux. On y trouve aussi des passages gréseux discontinus qui présentent des lentilles jusqu’à 3 ou 4 m d’épaisseur. Ces grès sont retirés et valorisés pour des utilisations pointues en chimie.

Sur les 40 m de gisement, trois catégories de sables se succèdent : la couche supérieure, haute de 10 à 15 m, présente une chimie particulière, avec un taux bas d’oxyde de fer et d’alumine, ainsi qu’une taille des grains régulière, ce qui convient à la verrerie.

En dessous, les couches présentent une granulométrie et une chimie différentes. Elles sont utilisées pour d’autres applications (fonderie) car elles comprennent plus d’alumine (12 000 ppm) et différentes tailles de grains.

Sur les fronts de taille de la carrière de la Comble, à Maisse, une chargeuse constitue un préstock en deux silos pour alimenter l’usine en continu, sans à-coup. La chargeuse peut extraire jusqu’à 250 t/h, ce qui correspond à la capacité maximale de production de l’usine.

À l’extraction, le sable est fin et les fronts se tiennent en restant droits. Le sable est extrait en trois gradins : la couche supérieure est utilisée en verrerie, et les deux autres sont destinées à des applications différentes. Elles sont transportées sur le site du Chesnay.

Trois lignes de traitement

Au début du traitement, pour retirer les impuretés, un crible à sec (Hewitt Robins) élimine les cailloux avec une maille de 10 mm en corde à piano.
Il évite que des cailloux ne soient emportés dans les goulottes en risquant de les boucher, et n’abîment les autres cribles. Cependant, ce sable est difficile à cribler car il ne se comporte pas comme un sable alluvionnaire : il rebondit et se tasse sans traverser le tamis. Il nécessite de grandes surfaces de criblage.

Le sable brut est propre, mais il contient des oxydes de fer et des argiles, nécessitant un lavage complet pour son utilisation. Car le verre plat a besoin d’un sable très pur. Avec le sable brut, il n’est possible de produire que du verre plat. Au total, 97 % des sables prélevés sont gardés, car il y a peu d’impuretés et d’argile.

Dans la nouvelle usine de Maisse, la conception du procédé de lavage du sable siliceux a été confiée à Sotres. L’usine a été conçue pour assurer une production de 240 t/h, en privilégiant certains points forts comme la sécurité maximale de production : toutes les machines sont doublées, voire triplées.

Bernard Raturat, président du directoire de Sotres, précise à cet effet que “les trois lignes de traitement pallient tout problème de panne.” Dans cette installation souple, chaque ligne peut traiter 80 t/h, avec des procédés d’attrition, de cyclonage et d’essorage. Actuellement, l’usine tourne en un poste avec deux lignes, pour une production de 150 t/h.

L’objectif est de faire descendre l’humidité des sables le plus bas possible (alentour des 3 %) pour les commercialiser aux verriers qui préfèrent une humidité constante dans leur préparation. Pour certaines applications, les sables peuvent être séchés.

Une succession d’étapes de lavage du sable

La salle de pilotage contrôle l’ensemble de l’usine avec un opérateur unique pour surveiller le lavage des sables et le chargement grâce à deux écrans de visualisation.
On voit sur ces derniers qu’un crible alimente deux silos tampons de 250 t chacun, constituant deux heures de réserve pour un débit de 240 t/h.

Ces silos apportent un lissage et une régularité dans l’arrivée du sable à l’entrée de l’usine. Ils alimentent deux cribles à haute fréquence (stack-sizer) pour effectuer une coupure à 400 microns. Ces stack-sizer travaillent à une fréquence de 3 000 t/mn ; ils éliminent les grains trop gros pour les verriers.

Ensuite le sable est réparti sur les lignes de production : il subit une séparation densimétrique puis il est cycloné dans une cuve pour éliminer les argiles fines, il est aussi essoré et attritionné pour retirer les impuretés collées au grain, avant un dernier cyclonage qui élimine les fines. Un essorage rotatif abaisse ensuite le taux d’humidité du produit. Enfin, une vapeur sursaturée à 10 bar et à 180 °C est injectée dans le sable. L’eau est aspirée par un système de dépression avec pour effet d’abaisser le taux d’humidité. Le taux d’humidité du sable naturel est estimé à 8 % mais il peut chuter à 2,5-3 % avec ce système de mise en dépression. Pour cette opération, le site utilise deux chaudières autonomes, disposées en parallèle, avec un contrôle toutes les 72 heures. Le produit fini est stocké dans trois silos de 1 500 t pour les trois lignes de production.

En complément, des sables “un peu particuliers” sont stockés par une quatrième chaîne de production. Cette dernière offre un débouché autre que la verrerie en reprenant les mêmes sables. Un crible intermédiaire coupe à 200 microns pour obtenir deux sables, soit très fins (100 à 200 microns) pour la verrerie, soit moins fins (200 à 400 microns) pour la fonderie et d’autres applications. Ces sables sont stockés dans deux petits silos de 1 000 t. Un tunnel avec extracteurs alimente les points de chargement des trains et des camions.

Sotres au traitement de l’eau

Pour le lavage des sables, l’usine utilise 1 500 m3/h d’eau en circuit fermé, nécessitant un traitement après utilisation. Les eaux sales sont récupérées dans un clarificateur avec injection de floculant, et une fois clarifiées, ces eaux sont recyclées. Les argiles décantées sont ensuite en­voyées dans une presse à boues. Dans cette installation, les argiles ont la particularité d’être difficiles à presser. Leur traitement nécessite d’y ajouter de la chaux pour les rendre pressables. Compactées sous forme de galettes, elles servent alors au réaménagement de la carrière.

Deux laboratoires, l’un pour le verre, l’autre pour la fonderie

Dans l’usine de traitement de la Comble, deux laboratoires sont en service : l’un est affecté aux mesures pour le verre, l’autre à celles pour la fonderie.

Pour le verre, le laboratoire mesure les éléments chimiques par spectromètre (oxyde de fer et oxyde d’alumine, calcium, potassium…). L’analyse est calculée en ppm (en grammes par tonne). Ce laboratoire réalise aussi des analyses classiques de type granulométrie avec des tamis de 63 à 400 microns, et d’autres en étuves pour étudier la forme et la qualité des grains.

Le deuxième laboratoire étudie les granulométries et réalise des études chimiques, comme le pH pour les résines. Une fois la silice broyée, la granulométrie est à nouveau étudiée mais au laser cette fois avec des grains de 5 à 100 microns.

Les échantillons sont prélevés dans l’usine ou sur le front de taille. Les prélèvements sur les fronts sont effectués deux fois par jour. Après le traitement, le contrôle des produits finis s’opère avec des prélèvements sur le train.

Sur le site de la Comble, le gisement est situé à 200 m de la voie ferrée et justifie des expéditions par ce moyen de transport. Trois à quatre trains partent chaque semaine, avec 21 wagons de 50 t, soit un peu plus de 1 100 t par convoi. Un train complet est chargé en deux heures.

Les sables refroidis du Chenay

L’usine historique de la société Fulchiron est située au Chenay. Elle assure le lavage, le séchage, le broyage et le conditionnement de la production. La carrière du Bois-rond assure à la fois la fourniture des sables bruts pour l’usine du Chenay et les expéditions directes, en particulier pour les sables correcteurs dans les bétons.

Le sable brut est apporté du site et traité dans l’usine. Il est lavé puis criblé, classé par catégorie et séché dans deux sécheurs d’une capacité totale est de 100 t/h. Le brûleur sert uniquement à évaporer l’eau et à garantir un produit sec à 100 %. La température initiale après séchage est supérieure à 100 °C.

Après séchage, les produits sont refroidis à 40 °C maximum par deux refroidisseurs à eau, puis criblés. Le sable à 0 % d’humidité est destiné à des applications en fonderie et pour des produits du bâtiment.

Une partie du sable sec est ensuite envoyée dans un broyeur autogène à boulets. Pour éviter toute pollution ferreuse, les parements et les galets du broyeur sont en alumine. La capacité du broyeur est de 3 à 9 t/h.

La silice broyée est classée en 6 catégories avec des médianes de 10 à 40 microns. Certains grains mesurent jusqu’à 120 microns.
La silice broyée est triée par un sélecteur à air équipé de doubles pales pour la séparation : les gros grains retombent, tandis les plus fins sont emportés par aspiration.

La carrière Samin de Roncevaux

À Buthiers (77), la société Samin exploite la carrière de Roncevaux d’où elle extrait un sable hors d’eau et sous eau, avec une autorisation pour pomper le sable dans la nappe de Beauce.

Dix-sept personnes travaillent sur ce site qui comprend un laboratoire effectuant notamment une mesure de la teneur en fer du matériau. L’autorisation sur 67 ha a été renouvelée en 1995 pour 30 ans. Le tonnage annuel est d’environ 500 000 t dont 80 % sont expédiées par le train. Les marchés visés concernent essentiellement le verre creux, et, depuis 2003, d’autres matériaux de construction (colles, mortiers, enduits), des sables équestres, des sablons en TP, etc.

Les contraintes d’exploitation, sur ce site de 100 ha, résident dans le déplacement de la fosse et du lac. Ceci entraîne que les convoyeurs soient également déplacés.
La découverte du gisement comporte entre 14 et 20 m de calcaire. Le banc hors d’eau présente une hauteur d’environ 15 m et comprend des bancs de grès intermédiaire. Sous eau, l’extraction est réalisée à l’aide d’une drague suceuse, sur une hauteur de 15 m également.

La présence des bancs de grès crée un risque de sous-cavage puisque le grès peut représenter jusqu’à un tiers du front. De plus, il est hétérogène, avec une dureté insuffisante, et n’est pas valorisable. Cependant, le comblement du lac devant être réalisé avec un matériau siliceux, le grès est utilisé pour cet usage.

Enfin, le site abrite des zones d’intérêt archéologique : diverses découvertes ont déjà été réalisées, dont deux nécropoles (de l’âge de pierre et de l’âge du bronze), 48 sépultures et des silos.

Ôter les oxydes de fer

Dans la carrière, différentes couleurs de sables sont caractéristiques de leur teneur en fer. Des stocks piles sont constitués pour une homogénéisation des sables avec une sauterelle, pour obtenir un produit le plus stable possible à l’entrée de l’usine.

L’objectif du traitement initial est la coupure granulométrique, même si la majorité des grains est inférieure à 2 mm. Les fours verriers ont besoin d’une granulométrie précise pour fondre le verre à des températures déterminées et régulées.

Ensuite, un lavage du sable enlève les matières organiques et les oxydes, principalement l’oxyde de fer qui est responsable de la coloration finale du verre. La teneur en fer est abaissée en lavant le sable : le sable entrant est marron-brun et en sortie il est plutôt blanc. Pour ce traitement, l’usine comprend deux étages d’attrition, mais pas de séparation densimétrique. Les étapes sont les suivantes : lavage, attrition, lavage, attrition, dernier lavage et essorage.

La troisième opération est une stabilisation de l’humidité par un système de filtration. Une dépression est créée sous un lit de sable pour enlever l’eau, puis de la vapeur est injectée pour accentuer la circulation de l’eau entre les grains de sable et pour abaisser le taux d’humidité à 2,5 ou 3 %.

Un sécheur à lit fluidisé permet d’approvisionner les clients qui commandent du sable complètement sec. Si nécessaire, ce sable sec peut être refroidi par un refroidisseur à pla­ques. Tous les produits finis sont stockés en silos, ce qui limite la capacité de stockage des expéditions.

 

Mireille Bouniol