L' élaboration d' un métal :

 

Le minerai :

 

Qu' est-ce que le minerai ?

 

Les minerais sont des roches, qui se constituent d'un composé métallique utile, qui doit être suffisamment important pour extraire le minerai, et d' une partie stérile appelée gangue.

L' extraction est possible lorsque le minerai ne contient pas d' impuretés qui ne peuvent être éliminées. Il existe différents types de minerais dont les principaux sont :

- les oxydes : ils constituent les principaux minerais de fer ( oxyde magnétique Fe3 O4, oxydes ferrique Fe2 O3 ), d' aluminium ( bauxite ), et d' étain ( cassitérite Sn O2 ).

- les sulfures : ils contiennent du souffre. La gallène ( Pb S ) est un minerai de plomb et la blende ( Zn S ) est un minerai de zinc. Il éxiste aussi les sulfures doubles tels que : la chalcopyrite ( Cu FeS2 ) qui est un minerai de cuivre.

- les silicates : la garniérite est un minerai de nickel qui contient du silicium.

- les carbonates : la calamine est un minerai riche en carbonate de zinc et silicates de zinc ( Zn Co3 ).

Fabriquer un métal industriel :

 

Un métal industriel est utilisable en industrie et obtenu par métallurgie. Celle-ci se divise en trois grandes opérations :

- le traitement pré-métallurgique,

- l' élaboration du métal brut,

- l' affinage du métal.

Dans le cas général, comme pour le fer par exemple, les opérations se font dans l' ordre suivant :

- minerai brut

- conditionnement

- minerai conditionné

- enrichissement

  - minerai enrichi

- élaboration

  - métal brut

- affinage / raffinage

- métal affiné.

Parfois il est nécessaire de faire des traitements thermiques pour obtenir du minerai pur, par exemple : le nickel et l' aluminium. Les opérations se font alors dans cet ordre :

- minerai brut

- conditionnement

- minerai conditionné

- enrichissement

  - minerai enrichi

- traitement thermique

- minerai pur 

- élaboration

  - métal brut

- raffinage

- métal affiné. 

Le conditionnement :

 

Le conditionnement permet de réduire le minerai brut d' extraction en fragments de dimension convenable, grâce à des concasseurs ou des broyeurs. Les concasseurs peuvent êtres à machoires ou giratoires. Les broyeurs, peuvent être cylindriques, à boulets, ou centrifuges.

Dans certains cas, il est nécessaire de faire plusieurs broyages ou concassages, donc il est indispensable d' effectuer un criblage, c' est-à-dire d' évacuer les perticules qui n' ont pas besoin d' être réduites. Pour cela, on utilise des trommels qui sont des tambours cylindriques longs de 3 à 10 mètres, laissant passer les plus fines particules et qui envoient dans un réservoir celles qui sont trop importantes. On peut utiliser aussi, pour les produits très fins, des tapis vibrants constitués de panneaux métalliques, animés de mouvements alternatifs très rapides.

L' enrichissement :

 

  L' enrichissement a pur but de trier les particules en deux lots, celui de la gangue et celui de la substance utile. Pour cela, les procédes d' enrichissement sont basés sur l' hypothèse que chaque particule n' est composée que par l' un des deux ensembles. Deux méthodes sont utilisées : 

- le procédé de flottation qui se fait en quatre étapes :

- La préparation du minerai : le minerai doit auparavant être broyé en particules suffisamment grosses pour éviter de former, par la suite, de la boue. 

- L' obtention dela pulpe : pour transformer notre minerai en pulpe, on mélange avec de l' eau et du réactif qui peut être constitué d' huile de pin, pour évacuer l'air en bulles très fines; de xanthate de potassium, qui entoure les parcelles de sulfures pour éviter que l' eau ne les mouille; d' un agent activant ( acide sulfurique, sulfate de cuivre, sulfure de sodium ), pour favoriser la flottation de l' élément que l' on veut recueillir; et d' un agent déprimant ( carbonate de sodium ) qui empêche l' élément que l' on veut éliminer de flotter.

- La flottation : la pulpe est introduite au bas d'une cuve remplie d' eau. Un agitateur créer des bulles d' air qui se colleront à la partie utilie. Celle-ci remontera à la surface, formant une écume, qui sera récupérée par la suite. La gangue reste dans le fond de la cuve et sera aussi récupérée. Il faut parfois plusieurs flottations ( jusqu' à 4 ) pour obtenir un concentré utilisable en métallurgie.

- Le traitement des concentrés : la teneur en eau de notre écume est ramenée à 50 % dans des épaississeurs, puis à 10 % par filtration sous vide.

- le triage magnétique : il se fait soit par triage à sec, soit par triage sur lavée. 

Après l' enrichissement, les éléments sont sous forme de poussières très fines, ceci les rendants inutilisables dans la plupart des appareils de métallurgie. Donc, on les transforme en blocs. Deux méthodes existes : 

- le briquetage : il consiste à faire des briquettes en mélangeant du minerai et du liant qui peut être de la chaux ou du chlorure de sodium. Les briquettes seront alors cuites au four.

  - le frittage : il consiste à mélanger le minerai avec du liant et du combustible, et de les chauffer jusqu' à l' état pâteux ( 1000°C ). Ensuite, la pâte obtenue est refroidie de manière à obtenir un élément poreux très résistant.

L' élaboration : 

 

Prenons le cas des oxydes, et des sulfures.

- Le traitement des oxydes : il sert à désoxygéner un oxyde de métal, ceci lui permettant d' avoir de meilleures résistances mécaniques.Le traitement se fait en deux étapes : le mélange de l' oxyde de métal avec un réducteur ( carbone par exemple ) et la chauffe du métal. Selon l' oxyde de métal avec lequel on travaille, on peut trouver trois cas différents : 

- température de réduction de l' oxyde < température de fusion du métal : le métal sera obtenu à l' état solide. Le travail doit se faire avec un oxydes pur.

- température de fusion du métal < température de réduction des oxydes < température d' ébullition du métal : le métal est obtenu à l'état liquide mais présente des impuretés. La gangue du minerai forme une scorie, qui plus légère que le métal, remonte à la surface.

- température de réduction de l' oxyde > température d' ébullition du métal : le métal se transforme en gaz qui sera par la suite transformé en liquide.

- Le traitement des sulfures : la méthode utilisée est celle du grillage. Elle se fait  en deux étapes : 

- on chauffe notre sulfure jusqu' à 150-200°C, qui se transforme en sulfate.

- on chauffe notre sulfate jusqu' à 800°C, qui se transforme en oxyde.

Si on arrête après l' étape1 : c' est le "grillage satisfaisant". Et si on arrête après l' étapes deux, c' est le "grillage à mort".

Il existe une autre méthode d' élaboration, c' est l' élaboration par électrolyse, appelée électrométallurgie. On utilise des corps chargés d' électricité contraire. Ces corps sont dis électrolytes. Les étapes de l' électrométallurgie sont :

- on plonge dans une solution aqueuse notre métal où on le fait fondre pour qu' il devienne liquide. Le métal liquide est composé d' ions positifs ( ions métalliques ) et d' ions négatifs.

- on fait passer un courant et on plonge deux électrodes. Les ions chargés positivement , cations, sont attirés par la cathode, et les ions chargés négativement appelés anions, sont attirés par l' anode.

L' affinage : 

 

L' affinage consiste à éliminer le plus possible les impuretés que contient le métal brut. L' affinage se fait par voie thermique. Deux procédés sont possibles :

- l' épuration physique : 

- soit en amenant le métal à l' état liquide, en le chauffant, mais en gardant les impuretés à l' état solide : c' est la liquidation.

- soit en maintenant le métal à l' état solide, en rendant les impuretés liquides : c' est le ressuage.

- l' épuration chimique : elle se fait de deux manières différentes : 

- l' oxydation sélective : on porte le métal à fusion et on l' oxyde avec l' oxygène de l' air, ceci provoque la formation d' oxydes gazeux, qui s' éliminent spontanément ou d' oxydes liquides, qui remontent à la surface du bain de fusion.

- l' épuration par action de laitier basique à base de chaux, pour former une scorie fluide moins dense que le métal. 

Le raffinage : 

 

Le raffinage a même but que l' affinage. Il se fait par voie électrolytique. Le métal brut correspond à l'anode. Celui-ci est plongé dans une solution aqueuse formée d' un sel de métal. En faisant passer du courant entre l' anode et la cathode, constituée de fines plaques de métal pur, les impuretés vont se déplacer de l'anode versla cathode.