métallurgie (suite)

Ces métaux doivent être élaborés suivant un processus différent, car le raffinage direct du métal impur conduirait à des opérations complexes, difficiles, et de ce fait non économiques. Ces opérations successives doivent aboutir à la confection d’un composé de haute pureté, dont le métal pur est extrait. Ce processus métallurgique s’applique aux métaux légers (aluminium, magnésium), alcalins et alcalino-terreux (sodium, potassium, calcium), semi-légers et lourds (titane, vanadium, zirconium) et radioactifs (thorium et uranium).

• Les métaux existent rarement à l’état natif : dans ce cas, leur extraction s’effectue par des procédés simples. Ainsi, pour le cuivre de certains gisements américains (cuivre des lacs d’Amérique du Nord ou de Corocoro en Bolivie), une simple fusion suffit. Pour séparer l’argent et l’or de certains sables, on pratique une dissolution du métal par un cyanure alcalin, puis on précipite par le zinc ou on électrolyse ; le procédé d’amalgamation avec élimination du mercure par distillation s’emploie également.

• Les minerais sont généralement constitués par des oxydes, des carbonates, des sulfures, des silicates et plus rarement par des chlorures, des sulfates, des phosphates, des arséniures, des vanadates, des titanates et des tungstates. Les différentes, nombreuses et souvent complexes opérations métallurgiques ont pour objet de concentrer le métal dans un composé d’où il sera plus facile de l’extraire à l’état métallique après avoir éliminé successivement les impuretés associées au métal dans le minerai.
— Pour les oxydes, l’élimination de l’oxygène s’effectue par l’action des réducteurs (carbone, monoxyde de carbone, aluminium, magnésium, hydrogène) à des températures telles que le métal est récupéré à l’état solide, ou liquide, ou gazeux. La réduction des oxydes de fer (hématites) par le carbone et le monoxyde de carbone dans le haut fourneau pour l’obtention de la fonte en est l’exemple le plus typique. Pour les carbonates, un traitement préalable par chauffage les décompose en oxydes.
— Le problème principal du traitement des sulfures métalliques est évidemment l’élimination du soufre dont le procédé le plus courant est soit le grillage total qui aboutit aux oxydes avec formation d’anhydride sulfureux, soit le grillage partiel qui permet, comme dans la métallurgie du cuivre, de former un mélange d’oxyde et de sulfure dont la réaction mutuelle au convertisseur laisse le cuivre brut.
— Le traitement des silicates, en raison de leur complexité, oblige à des opérations généralement plus nombreuses dont le principe est de fixer la silice à éliminer sous forme de scories de silicate de calcium.

Les procédés d’élaboration sont fondés sur des réactions chimiques ou physico-chimiques telles que la réduction, l’oxydation, la décomposition thermique, la dissolution, la réaction mutuelle avec précipitation, la volatilisation et la condensation, la fusion, l’électrolyse ignée ou en solution aqueuse, etc. Ils sont pratiqués soit par voie sèche (procédés thermiques ou de pyrométallurgie), soit par voie humide (procédés en solution aqueuse ou d’hydrométallurgie) et peuvent utiliser l’énergie électrique (électrométallurgie) comme source calorifique ou comme source de décomposition électrolytique.

Principales opérations d’élaboration

• La calcination est une décomposition thermique du produit pour le ramener sous la forme d’un composé plus facile à traiter ; c’est notamment le cas de la décomposition des carbonates et des sulfates en oxydes ou celui de la calcination de sels hydratés en sels anhydres.

• Le grillage est le chauffage d’un produit avec transformation par action d’un élément tel que l’oxygène, le chlore, ou d’un réducteur gazeux ou solide. Le grillage oxydant à l’air, le plus fréquent, se pratiquait dès l’Antiquité en disposant le minerai en tas ou dans des stalles chauffées au bois. Les appareils actuels, de formes et de dimensions diverses, sont appropriés au type de traitement, à la température de travail, au volume et à la nature des minerais ou produits à traiter : fours à cuves verticales avec système d’étalement et de brassage du produit (soles et râbles mobiles superposés), fours à sole à chauffage par flamme, fours cylindriques rotatifs horizontaux, appareils continus à table, à chaîne, à tambour (appareils Dwight-Lloyd), convertisseurs à insufflation d’air et fours de grillage du produit en suspension (four Trail) ou système continu à fluidisation.

D’autres types de grillages sont pratiqués pour des buts divers : réducteur (obtention de l’éponge de fer par réduction directe du minerai), chlorurant, volatilisant ou magnétisant pour transformer l’hématite en oxyde de fer magnétique, dont la séparation de la gangue sera facilitée par triage magnétique.

• La fusion est le passage par l’état liquide pour l’obtention du métal ou d’un produit intermédiaire tel qu’une matte (mélange de sulfures). Cette fusion, opération d’élaboration la plus courante, s’effectue avec réaction chimique de réduction, d’oxydation, de sulfuration, de carburation. La sidérurgie utilise la fusion réductrice par le carbone et la fusion carburante pour obtenir la fonte dans le haut fourneau ; en aciérie, la fusion oxydante par l’air ou l’oxygène pur permet la transformation de la fonte en acier en éliminant le carbone et diverses impuretés (phosphore, silicium, manganèse). La fusion scorifiante s’emploie à de nombreux stades d’élaboration pour séparer la scorie, riche en impuretés, du bain métallique qui a subi l’action épurante d’un laitier.

Les fours de fusion sont soit à cuve (haut fourneau), soit à sole à réverbère (four Martin-Siemens), ou encore en poche (convertisseur). Grâce à ses particularités, le chauffage électrique a permis la construction de fours ou appareils mieux adaptés aux traitements de nouvelles métallurgies. Ainsi, le chauffage à arc, type four Héroult, a permis l’élaboration de métaux spéciaux et d’aciers ou de fontes fortement alliés (aciers et fontes dits « électriques »). Pour des métaux réactifs de l’industrie spatiale ou nucléaire, les procédés électrothermiques permettent de réaliser une élaboration dans une atmosphère inerte ou bien définie (azote, argon, hydrogène, vide) à des températures qui atteignent 3 000 °C. Les techniques de l’électrométallurgie se sont multipliées, et leur emploi autorise des élaborations avec le minimum de contamination par les gaz ou les réfractaires des creusets et des garnissages : fusion par chauffage à induction électromagnétique à basse ou haute fréquence, fusion ou lingotage dans un four à électrode consommable ou non consommable, fusion par bombardement électronique.