élaboration des métaux et alliages (suite)

La souplesse, la rapidité, les hautes performances calorifiques, la précision du chauffage électrique, par arc ou par induction, facilitent l’élaboration des ferro-alliages, des fontes et des aciers réfractaires, des aciers spéciaux et des aciers fins (dits aciers électriques), grâce à une meilleure conduite d’affinages successifs par les laitiers, qui réagissent plus intimement avec les bains métalliques à hautes températures (cas des ferrochromes suraffinés).

La métallurgie de métaux spéciaux de l’industrie nucléaire ou spatiale fait couramment appel aux procédés électrothermiques, qui permettent l’élaboration, dans une enceinte bien définie, de gaz rare (argon), inerte (azote), réducteur (hydrogène) ou sous vide.

Ce sont les fours à arc électrique qui permettent les plus hautes températures, de l’ordre de 3 000 °C sur des charges de plus de 200 t. Dérivés du four Moissan avec arc extérieur au bain, ces fours se sont développés sur le principe de l’arc sur la charge grâce à une sole conductrice (type four Héroult). Depuis quelque temps déjà, on utilise des fours spéciaux pour métaux réfractaires et métaux à haute pureté : four à arc à électrode consommable métallique pour éviter une contamination par l’électrode normale (cas de la refusion de l’éponge de zirconium ou de l’élaboration d’aciers spéciaux sous laitier électroconducteur) ; four à arc à électrode consommable pour le lingotage du titane sous argon ; four de fusion à bombardement électronique pour la refusion sous vide de métaux réfractaires (niobium, tantale, molybdène).

Les fours à chauffage par induction électromagnétique à basse fréquence (à noyau magnétique) ou à moyenne et à haute fréquence (sans noyau magnétique) permettent une élaboration fine de métaux et d’alliages de haute qualité aussi bien ferreux que non ferreux.

• Électrolyse ignée. C’est un procédé de décomposition électrolytique de sels fondus électroconducteurs. La principale application de ce procédé est la phase finale de la métallurgie de l’aluminium, par électrolyse d’alumine dissoute dans un mélange fondu à 950 °C de sels à base de fluorure double d’aluminium et de métaux alcalins (cryolithe) ; l’aluminium pur à 99,8 p. 100 est récupéré sur la cathode en fond de cuve. Une autre électrolyse ignée spéciale d’affinage permet d’obtenir l’aluminium à haute pureté (99,99 p. 100).

Procédés d’élaboration par voie humide ou procédés en solution aqueuse (hydrométallurgie)

Ils s’appliquent soit à des minerais pauvres et difficiles à concentrer, soit à des minerais riches ou à des concentrés pour obtenir des métaux purs.

• Différents traitements physiques ou chimiques. Ils ont pour objet successivement la mise en solution du composé par lixiviation (acide, oxydante, réductrice, cyanurante) avec agitation ou percolation, la séparation de la solution et du résidu insoluble par décantation et filtration, la purification éventuelle de la solution par hydrolyse ou par précipitation chimique et enfin la précipitation et la séparation du métal par déplacement (cémentation) ou par électrolyse. Ces procédés sont utilisés en métallurgie de l’aluminium pour la préparation de l’alumine pure à partir du minerai de bauxite (procédé Bayer) et en métallurgie du cuivre pour le traitement des minerais oxydés ou sulfurés pauvres.

• Électrolyse de solution aqueuse. Elle permet l’obtention de métaux purs ou la récupération de certains métaux précieux. Des deux procédés à anode insoluble et à anode soluble, c’est ce dernier qui s’emploie généralement, l’anode étant constituée par le métal impur et le métal pur venant se déposer sur la cathode. On traite ainsi du cuivre brut à 98 p. 100 (dit cuivre blister) en anode dans un électrolyte constitué par une solution de sulfate de cuivre acide et l’on obtient du cuivre pur cathodique à 99,95 p. 100 ; le traitement des boues d’électrolyse permet de récupérer des métaux précieux (argent, or, platine).

Traitements métallurgiques des minerais

Ils sont complexes, et souvent plusieurs procédés successifs d’élaboration sont appliqués. De plus, le traitement diffère avec la réactivité du métal à obtenir : les métaux dits « non réactifs », les plus courants (fer, cuivre, plomb, zinc, étain, nickel, argent, etc.), qui présentent une affinité modérée pour l’oxygène et les métalloïdes, sont élaborés à l’état brut, puis raffinés ; en revanche, pour les métaux dits « réactifs » (alcalins, alcalino-terreux, aluminium, titane, zirconium, uranium, etc.), qui possèdent une grande affinité, on élabore un composé pur (raffinage de la matière première) dont on extrait directement le métal pur.

Le traitement des métaux natifs est limité à quelques gisements de cuivre américains avec une simple extraction du métal par fusion. Pour l’or ou l’argent dans certains sables, la dissolution du métal par des cyanures alcalins ou l’amalgamation suivie de distillation sont les plus pratiquées.

Le traitement des oxydes s’effectue avec des éléments réducteurs tels que le carbone, l’oxyde de carbone, l’hydrogène, l’aluminium. Suivant la température à laquelle se pratique l’opération, on obtient ce dernier :
— soit à l’état solide (cas du nickel et du tungstène) ;
— soit à l’état liquide (métallurgies du plomb et de l’étain, sidérurgie pour l’élaboration du fer sous forme de fonte fondue dans le haut fourneau) ;
— soit à l’état de vapeur, que l’on récupère dans des condenseurs refroidis (cas du zinc, du cadmium).

Le traitement des carbonates se ramène à celui des oxydes, après une opération préalable de chauffage et de décomposition des carbonates en oxydes.

Le traitement des sulfures, notamment celui des sulfures de cuivre, consiste, par grillage, puis par oxydation partielle, à obtenir un mélange de sulfure et d’oxyde dont la réaction dans un convertisseur conduit au cuivre pur.

Le traitement des silicates est complexe et nécessite souvent une scorification de la silice sous forme de silicate de calcium, comme dans le traitement de la garniérite (silicate de nickel, fer et magnésium) pour l’obtention du nickel.