élaboration des métaux et alliages (suite)

Procédés d’élaboration

Ils résultent du développement et de la combinaison de réactions physico-chimiques élémentaires telles que l’oxydation, la réduction, la volatilisation, la dissolution, la décomposition électrolytique, etc. Pratiqués pour la plupart empiriquement depuis fort longtemps, ces procédés sont maintenant appliqués à l’élaboration industrielle de métaux rares ou de métaux très réactifs utilisés dans le domaine de l’énergie nucléaire.

Procédés d’élaboration par voie sèche ou procédés thermiques

Ils sont très nombreux.

• Calcination ou décomposition du produit par le seul effet thermique. Un hydroxyde peut être décomposé en oxyde avec libération de vapeur d’eau, comme c’est le cas pour l’alumine hydratée, qui est décomposée en alumine anhydre :
2 Al(OH)₃ → Al₂O₃ + 3 H₂O.
De nombreux carbonates et sulfates métalliques sont dissociés en oxyde correspondant au métal avec dégagement d’anhydride carbonique ou d’anhydride sulfureux suivant une réaction endothermique.

La smithsonite, ou carbonate de zinc, se dissocie en oxyde de zinc :
ZnCO₃ → ZnO + CO₂ – 17 kcal.
La sidérose, ou carbonate de fer, se dissocie en oxyde ferreux :
FeCO₃ → FeO + CO₂ – 25 kcal.
Le gypse, ou sulfate de calcium, se dissocie en chaux :
CaSO₄ → CaO + SO₂ + ½ O₂ – 84 kcal.
Parfois, un oxyde supérieur est transformé par calcination en oxyde plus économique à traiter ultérieurement ; c’est le cas de la pyrolusite, ou bioxyde de manganèse :
3 MnO₂ → Mn₃O₄ + O₂.

• Grillage ou transformation d’un composé le plus fréquemment par oxydation. Le grillage de la blende, ou sulfure de zinc, conduit au sulfate à basse température et à l’oxyde à plus haute température suivant les réactions exothermiques :
ZnS + 3/2 O₂ → ZnO + SO₂ + 106 kcal
ZnO + SO₃ → ZnSO₄ + 45 kcal.
Il est rare, comme dans le cas du cinabre, ou sulfure de mercure, d’obtenir directement le métal par grillage :
HgS + O₂ → Hg + SO₂.

Dans la phase finale du convertissage de la matte, ou sulfure, dans la métallurgie du cuivre, un grillage oxydant partiel, avec réaction, permet d’obtenir d’abord un mélange de sulfure et d’oxyde :
3 Cu₂S + 3 O₂ → Cu₂S + 2 Cu₂O + 2 SO₂.

Puis la réaction mutuelle du sulfure et de l’oxyde conduit à l’obtention du cuivre pur brut :
Cu₂S + 2 Cu₂O → 6 Cu + SO₂.

Le grillage est dit réducteur lorsque l’atmosphère oxydante est remplacée par une atmosphère ou milieu réducteur (carbone, oxyde de carbone, hydrogène) ; le tungstène pulvérulent est obtenu par réduction par l’hydrogène de l’oxyde tungstique en poudre :
WO₂ + 2 H₂ → W + 2 H₂O.

Le grillage de l’hématite, sesquioxyde de fer, dans l’oxyde de carbone ou l’hydrogène, vers 600 °C., dit grillage magnétisant, permet d’obtenir l’oxyde de fer magnétique, qui peut ainsi être mieux séparé de sa gangue par triage magnétique :
3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂.

Les appareils de calcination ou de grillage sont souvent semblables, et leurs formes sont déterminées à la fois par la nature et l’état physique des charges à traiter, par la variation de volume des produits au cours du traitement, par le type de chauffage (externe à la charge ou charge autocombustible comme certains sulfures) et par la température à atteindre.

Aux anciens tas et stalles utilisés aux époques de l’Antiquité et du Moyen Âge ont été substitués des fours à cuves verticales pour arriver aux fours et aux appareils actuels : fours à cuves verticales à soles multiples fixes et râbles mobiles ou inversement (fours Herreschof, Wedge), appareils continus Dwight-Lloyd à chaîne, à table ou à tambour, convertisseurs à cuve avec insufflation d’air sous la charge, fours à flammes à sole fixe et râbles mobiles, fours cylindriques horizontaux rotatifs, fours à moufles superposés et, plus récemment, fours de grillage en suspension de la charge (four Trail) et appareils de grillage par fluidisation.

• Fusion. C’est une opération métallurgique qui permet d’obtenir un métal, un alliage ou un produit intermédiaire (matte) par passage partiel ou total à l’état liquide. Suivant la nature du composé réagissant, la fusion peut être réductrice, oxydante, carburante, sulfurante ou scorifiante. La fusion réductrice est l’opération métallurgique la plus pratiquée, le composé réducteur pouvant être un élément solide (carbone, aluminium, silicium, magnésium) ou un gaz (oxyde de carbone, hydrogène, mélange de gaz réducteurs). L’exemple le plus important de ce type de fusion est l’obtention de la fonte au haut fourneau par un ensemble de réactions de réduction des oxydes de fer par le carbone et l’oxyde de carbone :
— à basse température :
3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂ ;
— à plus haute température :
Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂ ;
— puis, au bas de la cuve du haut fourneau, formation du fer pur :
FeO + CO → Fe + CO₂,
qui réagit avec le milieu carburant pour donner la fonte.

La fusion oxydante est à la base des divers procédés d’aciérie pour la conversion de la fonte en acier ; les diverses impuretés présentes dans la fonte, et particulièrement le silicium, le phosphore, le manganèse et le carbone, réagissent avec l’oxygène suivant des réactions fortement exothermiques, ce qui permet à la fois d’éliminer ces impuretés et d’obtenir du fer pur ou de l’acier à faible teneur en carbone, à l’état liquide. L’oxydation est pratiquée soit par de l’air, soit par de l’oxygène pur.

• Volatilisation, distillation, sublimation. Ces opérations, qui permettent d’obtenir le métal à l’état de vapeur, puis de condenser cette vapeur métallique, sont limitées à des métaux ne possédant pas une température d’ébullition trop élevée, tels que le mercure, le cadmium, le zinc et le magnésium. Ainsi, dans l’ancien procédé de métallurgie du zinc, on traite un mélange d’oxyde de zinc et de charbon dans des creusets fermés, chauffés vers 1 000 °C ; la réaction de réduction permet d’obtenir du zinc à l’état de vapeur :
ZnO + CO → Zn + CO₂.
Celle-ci est refroidie dans un condenseur où se rassemble le zinc liquide pur.

La calcination volatilisante est pratiquée pour obtenir du nickel de haute pureté suivant le procédé Mond au carbonyle de nickel :
Ni + 4 CO ⇄ Ni(CO)₄.

Sous l’action, vers 80 °C, de l’oxyde de carbone sous pression sur du nickel impur, on obtient le carbonyle de nickel gazeux, qui est dissocié vers 180 °C en donnant du nickel pulvérulent très pur.

• Électrométallurgie. Elle groupe les procédés qui utilisent l’énergie électrique pour la réalisation de hautes températures favorables à l’accomplissement de certaines réactions, dans une atmosphère non influencée par la nature du combustible.