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UNITÉ D’EXPERTISE ENVIRONNEMENT VALORISATION DES DÉCHETS DE GRENAILLAGE Département génie des matériaux et ingénierie des procédés Encadré par : M. ALAMI Réalisé par : Amal BAHIJ Hamza BENBOUBADDI Niveau : 5 ème Année ENSAM - 2013 -

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UNITÉ D’EXPERTISE

ENVIRONNEMENT

VALORISATION DES DÉCHETS DE

GRENAILLAGE Département génie des matériaux et ingénierie des procédés

Encadré par : M. ALAMI

Réalisé par : Amal BAHIJ

Hamza BENBOUBADDI

Niveau : 5ème

Année ENSAM

- 2013 -

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 2

REMERCIEMENTS

Au terme de ce travail, il serait injuste de notre part d’entamer la rédaction le présent

rapport sans exprimer la reconnaissance et la gratitude que nous devons à tous ceux dont on a

sollicité l’aide et la collaboration.

Notre gratitude s’adresse tout spécialement à notre encadrant M. ALAMI, pour son

soutien et ses prestigieux conseils, qu’il n’a cessé de nous prodiguer au cours de la réalisation

de ce modeste travail.

On souhaite également remercier la direction de l’ENSAM, ainsi que tout le corps

professoral et administratif pour les efforts qu’ils fournissent afin de nous garantir une

formation de qualité.

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 3

SOMMAIRE

I. INTRODUCTION ........................................................................................................................... 5

I. GÉNÉRALITÉS SUR LE PROCÉDÉ DE GRENAILLAGE ......................................................... 6

1. DÉFINITION .............................................................................................................................. 6

2. PARAMÈTRES DU PROCÉDÉ ................................................................................................. 7

3. PRODUITS A PROJETER ......................................................................................................... 8

4. MACHINES DE GRENAILLAGE ............................................................................................. 9

II. AVANTAGES DU PROCÉDÉ ..................................................................................................... 10

III. LES POUSSIÈRES ISSUES DU GRENAILLAGE ................................................................. 11

1. INTOXICATION ...................................................................................................................... 12

2. INCENDIE - EXPLOSION ....................................................................................................... 12

3. AUTRES RISQUES .................................................................................................................. 12

IV. VALORISATION DES POUSSIÈRES DE GRENAILLAGE ................................................. 13

V. RECOMMANDATIONS POUR L’ASSAINISSEMENT DES REJETS .................................... 14

1. VENTILATION ........................................................................................................................ 14

2. DEPOUSSIÈRAGE ................................................................................................................... 15

3. REJET DE L’AIR POLLUÉ ..................................................................................................... 16

VI. CONCLUSION ......................................................................................................................... 17

VII. BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................... 18

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 4

LISTE DES FIGURES

Figure 1 Exemple de cabine de grenaillage 6

Figure 2 Schéma d'installation 6

Figure 3 Acier avant et après grenaillage 7

Figure 4 Schéma représentatif des paramètres du procédé 8

Figure 5 Illustration d'une turbine à grenaillage 10

Figure 6 Exemple d'une buse de grenailleuse à air comprimé 10

Figure 7 Poussières de grenaille 13

Figure 8 Types de cabine satisfaisants et types à proscrire 15

Figure 9 Principe de rejet d'air pollué et de prise d'air neuf 16

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 5

I. INTRODUCTION

Le grenaillage est un procédé très répandu dans l’industrie pour conférer un état de

surface particulier à différents types de matériaux.

Ce procédé est à l’origine de différents risques susceptibles d’être graves pour les

opérateurs : blessures dues aux projections d’abrasifs, atteintes auditives dues au bruit ainsi

que des pathologies provoquées par l’inhalation de poussières. Ces dernières constituent un

élément à valoriser et d’en tirer profit surtout au niveau environnemental par la diminution

des rejets polluants dans l’air ainsi qu’au niveau économique en générant un gain financier

non négligeable.

Dans le présent travail on traite de manière générale le procédé de grenaillage tout en

mettant l’accent sur la valorisation des déchets qui résulte de ce traitement de surface

notamment les poussières. Comme on présente quelques recommandations pour assurer une

bonne gestion et assainissement des rejets.

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 6

I. GÉNÉRALITÉS SUR LE PROCÉDÉ DE GRENAILLAGE

1. DÉFINITION

Le grenaillage est un procédé industriel utilisé pour préparer, entretenir ou nettoyer les

surfaces de différents matériaux par projection d’abrasifs. L’opération s’effectue en cabine

entièrement close soit manuellement soit par un dispositif automatisé.

Figure 1 Exemple de cabine de grenaillage

Il existe deux modes de projection d’abrasif : le grenaillage par voie sèche et le

grenaillage par voie humide. Les abrasifs peuvent être :

- De nature diverse (minérale, végétale, métallique..)

- De formes (rondes ou angulaires) et de dimensions variées, afin de répondre aux

différentes applications.

Figure 2 Schéma d'installation [2]

1- Cabine de grenaillage

2- Vis de transport

3- Elévateur

4- Epurateur de l’abrasif

5- Sableuse

6- Extracteur et épurateur de l’air

7- Evacuation des gros déchets

8- Tiroir de nettoyage

9- Rejet extérieur

10- Aération de la cabine

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 7

Quant aux applications du grenaillage, elles sot nombreuses dans le domaine du nettoyage

et de la préparation de pièces métalliques. On le retrouve entre autres :

- En fonderie pour le dessablage et le nettoyage des pièces

- En sidérurgie, pour le décalaminage,

- Dans la construction métallique pour la préparation de surface avant peinture ou

métallisation

- En grenaillage de précontrainte pour l’amélioration des propriétés mécaniques des

métaux. [1]

Figure 3 Acier avant et après grenaillage [3]

2. PARAMÈTRES DU PROCÉDÉ

Tous basés sur le même principe, les procédés de grenaillage mettent en œuvre deux

outils : le projectile et la machine à projeter. Les résultats de l'opération de grenaillage

dépendent de nombreux paramètres, parmi lesquels :

• la granulométrie de la grenaille

• sa dureté

• sa forme

• sa densité

• la vitesse de projection

• le débit

• l'angle d'attaque

• le temps d'exposition

En pratique, on définit les conditions de grenaillage par deux caractéristiques intégrant

les paramètres ci-dessus, à savoir l'intensité de grenaillage et le taux de recouvrement.

Le taux de recouvrement, ou couverture, est défini par le rapport entre la surface totale

des impacts et la surface totale de la pièce grenaillée. Si l'on définit par C1

le taux de

recouvrement après un passage de grenaillage ou une première unité de temps, le

recouvrement après n passages ou n unités de temps est donné par la formule [5] :

Cn

= 1 - (1 - C1)n

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 8

Figure 4 Schéma représentatif des paramètres du procédé [3]

3. PRODUITS A PROJETER

Les produits à projeter, ou projectiles, sont caractérisés par leur nature (métallique,

minérale, végétale, organique, glace), leur densité et leur dureté, leur forme, leur

granulométrie.

Le choix de la granulométrie sera un compromis entre la rugosité (augmentant avec la

taille des grains) et le taux de recouvrement, ou couverture, d'autant plus élevé que le nombre

de grains par kg de projectile est grand. Et rappelons-le, le taux de recouvrement est relié au

coût du traitement via le degré de soins et le temps de traitement. Les grains fins seront

utilisés en priorité pour les opérations de nettoyage alors que l'attaque de la calamine, de la

rouille ou d'anciens revêtements nécessitera de gros grains. En pratique, le mélange opératoire

présente une dispersion granulométrique tenant compte du compromis entre nettoyage et

décapage. Les particules trop fines, inefficaces même pour le nettoyage, devront être

éliminées au fur et à mesure. [5]

La forme des projectiles est sphérique, angulaire ou cylindrique. Les projectiles aux

arêtes vives seront plus agressifs et donneront une rugosité plus grande que les projectiles de

forme ronde.

La densité du projectile intervient en terme d'énergie cinétique, donc de rugosité.

Il existe sur le marché une grande variété de matériaux à projeter, choisis en fonction de la

nature de la surface à décaper et des résultats à obtenir (propreté, rugosité). Ce choix devra

tenir compte de :

• la compatibilité chimique entre le projectile et la surface à décaper

• la dureté relative des deux entités

• l'état initial de la surface à décaper

• le coût du projectile et son recyclage[5]

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 9

Les projectiles métalliques couvrent :

• les grenailles d'acier au carbone (C >0,85 %), les fils d'acier coupés (C 0,6 à

0,7 %, Mn 0,6 à 0,7 %), les grenailles d'acier allié (C 0,10 %, Si 0,15 %, Mn 1 à

1,3 %) et les grenailles de fonte (C 3 à 3,2 %), qui sont les plus couramment

utilisées et les moins chères,

• les grenailles d'acier inoxydable (Cr 13 à 18 %, Ni 1 à 10 %), d'un coût très

élevé et limitées au décalaminage et nettoyage de surfaces coulées ou laminées

en acier inoxydable, en bronze ou en aluminium,

• et les grenailles d'aluminium ( Al 90 %, Cu 3 à 5 %, Si 5,7 %) utilisées pour le

dessablage, le nettoyage ou la finition de surface en aluminium ou métaux légers. [5]

4. MACHINES DE GRENAILLAGE

La structure d'une grenailleuse contient toujours les éléments suivants:

Système de transfert et cabine: les pièces sont acheminées dans une cabine très

résistante (parois en acier au manganèse)

Turbines: la grenaille s'écoule de la réserve vers des turbines où elle est projetée à

grande vitesse (50 à 100m/s, 80m/s en moyenne) sur les pièces

Récupérateur: la grenaille est récupérée en fond de cabine (vis d'Archimède, plancher

vibrant ou racleur) et acheminée vers le séparateur à air

Séparateur: dans le séparateur à air l'abrasif est épuré des contaminants avant de

retourner dans la réserve. On crée un rideau fin et homogène de grenaille traversé par

un courant d'air ajusté entraînant les fines, contaminants et poussières.

Dépoussiéreur: le dépoussiéreur met en dépression toute l'installation et collecte ainsi

la poussière produite (usure grenaille et contaminants)

Filtre: Un filtre récupère les poussières issues du séparateur et du dépoussiéreur

Il existe deux grandes classes de machines de grenaillage :

• les machines à jet libre, le plus souvent à air comprimé, automatisées ou manuelles,

• les machines à turbines.

Les machines à turbines utilisent la force centrifuge générée par un élément

mécanique pour propulser l'abrasif. Les vitesses de projection se situent couramment entre 50

et 90 m/s. [5]

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Figure 5 Illustration d'une turbine à grenaillage

Les machines à jet libre, dans lesquelles l'abrasif est projeté par un flux gazeux

(généralement de l'air comprimé), se déclinent sous plusieurs modèles en fonction de la nature

de l'enceinte et du principe d'entraînement du projectile par le flux gazeux.

Figure 6 Exemple d'une buse de grenailleuse à air comprimé

II. AVANTAGES DU PROCÉDÉ

Sur tous les terrains, le grenaillage prend une longueur d'avance pour le traitement de

surfaces :

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Propreté ‐ Environnement

Le grenaillage est un procédé mécanique dont l’action, en lieu clos, n'engendre aucun

effluent, donc aucun risque de pollution. Les grains métalliques sont recyclés de nombreuses

fois.

Simplicité et maîtrise du procédé

Simple dans son fonctionnement, le grenaillage est donc rapidement opérationnel : la

mise en œuvre peut démarrer dès l'installation de la ligne. Techniquement une fois les

paramètres de l'opération (vitesse, angle de projection, temps de grenaillage...) définis, la

reproductibilité est parfaite.

Sécurité

Le grenaillage est une opération pratiquement sans risque pour les opérateurs et ne

présente aucun danger pour l'environnement.

Maîtrise des coûts

Le grenaillage allie efficacité et maîtrise des coûts. Grâce à une bonne évaluation des

besoins et des moyens à mettre en œuvre, le résultat obtenu est sans surprise. La préparation

de la surface, uniforme sur toute la pièce dès le premier traitement évite ainsi gaspillage et

perte de temps.

III. LES POUSSIÈRES ISSUES DU GRENAILLAGE

EN dépit de ses avantages, le grenaillage génère des poussières qui proviennent soit des

surfaces métalliques traitées, soit du fractionnement de l’abrasif. Ces poussières peuvent être

composées :

- De la calamine qui recouvre l’acier après laminage

- De produits de corrosion des métaux

- Des peintures anciennes

- De la grenaille elle-même

Elles peuvent pénétrer dans l’organisme par les voies respiratoire et digestive.

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 12

1. INTOXICATION

Les risques pour la santé sont liés à l’exposition aux poussières. D’une manière générale,

l’inhalation de poussières, même sans toxicité particulière, peut provoquer une

pneumoconiose de surcharge. De plus certains types de poussières possèdent une toxicité

spécifique. Ainsi l’inhalation de la silice qui provient du sable de moulage et du noyautage

dans le cas du décapage de pièces de fonderie et éventuellement de l’abrasif peut engendrer

une pneumoconiose particulièrement grave, la silicose. L’exposition à l’oxyde de fer

provoque la sidérose. Beaucoup de métaux possèdent une toxicité propre : le plomb, le

cadmium, le nickel par exemple. [2]

2. INCENDIE - EXPLOSION

Les poussières susceptibles d’entraîner un risque d’incendie et d’explosion appartiennent

aux catégories suivantes :

- Poussières de métaux tels que l’aluminium, le magnésium, le titane, le zirconium, le

tantale…

- Poussières d’abrasifs d’origine végétale ou synthétique

- Poussières de matières plastiques

- Poussières issues du décapage de métaux recouverts de peinture, caoutchouc, etc.

Ces poussières peuvent s’accumuler en certains points de l’installation ; or l’inflammation

de ces couches nécessite une faible énergie. 10 Mj peuvent suffire dans certains cas. Lorsque

l’inflammation est déclenchée, elle peut se propager en feu couvant (combustion lente) et

entraîner une explosion si la concentration en poussières fines est suffisante (20 à 30 g/m3

pour des poussières de diamètre intérieur à 200 µm). L’explosion peut se produire au moment

de la mise en route de la ventilation, par exemple. [2]

3. AUTRES RISQUES

La projection d’abrasif expose l’opérateur à des lésions de la peau et des yeux. D’autres

risques mécaniques sont liés à l’installation : par exemple pour les machines manuelles à

manche, coincement par retombée de la face avant mobile lors d’une défaillance du vérin

d’équilibrage. Le bruit important, engendré par les opérations de grenaillage, expose

l’opérateur à des risques de surdité irréversible. [2]

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 13

IV. VALORISATION DES POUSSIÈRES DE GRENAILLAGE

La pression réglementaire relative aux émissions particulaires s’accentuant tant

dans le domaine de l’environnement que des conditions de travail, de plus en plus

d’installations industrielles sont équipées de système de filtration des fumées et poussières.

Les grenailleurs rencontrent des difficultés pour valoriser leurs poussières à cause d’une part

de leur faible intérêt métallurgique et d’autre part de leur faible granulométrie qui complique

les conditions de stockage et de manipulations.

Les poussières de grenaille sont plutôt une source éventuelle de pollution pour la

valorisation de celle-ci, notamment par : le recyclage des poussières de fusion au cubilot par

briquetage des poussières et refusion interne : Agglomération des poussières avec un liant

ciment. [4]

Cette action permet de réduire la production de déchets dangereux et de valoriser une

partie des éléments par la réduction des oxydes grâce au cubilot vent chaud.

Pour valoriser les poussières de grenaillage :

- Identification des filières locales possibles (cimenterie, asphalte) et de repreneurs

locaux

- Définition des modalités de reprise (stockage, organisation interne, logistique)

- Etablir un CC de reprise. (des études ont été menées pour introduire ces poussières

retransformées dans la fabrication de contrepoids pour machine à laver mais non

validées car trop couteuses)

Egalement valoriser les meules d'ébarbage usées (actuellement mises en décharge)

Recherche de filières de récupération Organisation du tri et du stockage, les meules sont

désormais triées et ne sont plus mises en décharge interne. Les coûts de reprise restent encore

très élevés. La valorisation des meules n'est pas possible pour l'instant. 100% des meules sont

triées et éliminées réglementairement. Il reste effectivement à rechercher une filière de

valorisation.

Figure 7 Poussières de grenaille

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 14

La valorisation est donc envisageable pour des poussières préconditionnées de

grenaillage, l’introduction des poussières doit se faire en faibles quantités de l’ordre de 3% de

la charge du four, supérieur au taux de génération de poussières journalier.

Le bilan technico économique de cette filière montre que la refusion de poussières

de parachèvement peut être à l’origine d’un gain financier non négligeable. [4]

V. RECOMMANDATIONS POUR L’ASSAINISSEMENT DES REJETS

1. VENTILATION

La protection respiratoire de l’opérateur travaillant à l’intérieur de la cabine étant

assurée par le port d’une cagoule alimentée en air neuf, la ventilation d’une cabine de

grenaillage doit :

- Assurer une visibilité suffisante dans la cabine pendant le grenaillage en limitant les

niveaux de concentration de poussières.

- Réaliser le plus rapidement possible l’assainissement de la cabine après cessation de

l’activité de grenaillage.

- Protéger l’environnement de la cabine et notamment les gens situés à proximité

La ventilation de la cabine constitue donc vis-à-vis de celle-ci, une ventilation générale

qui permet l’évacuation des polluants. L’ensemble du système de ventilation à l’intérieur de

la cabine doit comprendre un dispositif d’extraction de l’air empoussiéré et un dispositif

d’introduction d’air de compensation. Pour être efficace, la ventilation doit s’exercer sur tout

le volume de la cabine en évitant les zones sous-ventilées. Ceci implique de placer les

dispositifs d’extraction de l’air empoussiéré et d’introduction de l’air de compensation en

positions opposées dans le but d’obtenir un déplacement vertical ou horizontal de l’air dans la

zone de travail. [2]

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 15

Figure 8 Types de cabine satisfaisants et types à proscrire [4]

2. DEPOUSSIÈRAGE

Le système de dépoussiérage de l’air extrait de la cabine doit être conforme aux normes

de rejet dans l’environnement. Le plus souvent le dépoussiérage se fait par voie sèche avec

des filtres à manches ou à cartouches filtrantes ou bien avec des multicyclones. Le

dépoussiérage par voie humide est utilisé lorsque les poussières sont inflammables.

L’encrassement rapide des filtres à manches nécessite un décolmatage.

VALORISATION DES DECHETS DE GRENAILLAGE | 16

3. REJET DE L’AIR POLLUÉ

Le rejet à l’extérieur est la disposition la plus satisfaisante pour la protection du

personnel, il faut l’adopter dans la majorité des cas. Elle s’impose lorsque le système

d’épuration est peu efficace. Elle s’impose également dans tous les cas en dehors des périodes

de chauffage.

Pour éviter toute perturbation, le rejet de l’air pollué à l’extérieur des locaux doit respecter

un certain nombre de règles. Les conduits de rejet doivent être disposés de manière à ne pas

subir la pression des vents. Ceci conduit à proscrire les rejets en façade ou en pignon des

bâtiments et à déconseiller les rejets en toiture par des coudes ou des crosses fixes. Ceci

suppose :

- Des conduits de rejet à axe vertical

- L’absence de chapeau ou d’obstacle au débouché

- Une vitesse d’éjection suffisante (8 m/s)

Figure 9 Principe de rejet d'air pollué et de prise d'air neuf [4]

a) L’altitude est suffisante pour permettre aux polluants de se dégager de la zone

perturbée

b) Les polluants, rejetés à une hauteur insuffisante, restent dans la zone de turbulence

produite par les bâtiments et sont recyclés par les prises d’air

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VI. CONCLUSION

L’objectif était donc de relever et d’évaluer l’intérêt des poussières de grenaille afin de

diminuer leurs effets néfastes sur la santé et sur l’environnement. On a remarqué que les

importants gisements de ces poussières présentent une source exploitable, d’où leur

valorisation est bien envisagée et ceci en procédant à leur refusion tout en suivant un certain

nombre de techniques et réglementations, ce qui pourrait être l’origine d’un gain financier

important. Comme il faut ajouter que la bonne gestion et l’assainissement des rejets

permettrait d’éviter tout danger sur la santé des opérateurs.

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VII. BIBLIOGRAPHIE

[1] INRS, Fiche pratique de sécurité ED 121, Décembre 2004

[2] INRS, Décapage, dessablage, dépolissage au jet libre en cabine, Guide pratique de

ventilation, Octobre 2009

[3] Pierre Renaud, Thèse : Modélisation numérique du grenaillage des pièces initialement

cémentées ou carbonitrurées, Juin 2011

[4] http://www.fonderie-durable.fr

[5] Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux, Avril 1995