Métallurgie

La métallurgie est l’art, la science et la technologie présidant à la transformation des métaux et des alliages (c.-à-d., des mélanges de deux ou plusieurs métaux) de façon à les rendre propres à un usage.

Écorce terrestre, éléments de l
L'écorce terrestre se compose en bonne partie de métaux (avec la permission d'Alcan Aluminium Limitée).
Électrolyse
L'électrolyse est le procédé clé utilisé pour l' affinage de nombreux métaux. Ce procédé consiste à passer un courant électrique dans un liquide, ce qui provoque une réaction chimique. Dans ce cas, l'électricité engendre une décomposition de l'oxyde d'aluminium, et l'aluminium en fusion est aspiré (illustration de Claire Tremblay/avec la permission de l'Aluminerie de Bécancour).
Uraninite
Uraninite, l'un des minéraux à partir duquel on obtient l'uranium. Échantillon provenant de la mine Payne, à Gatineau, au Québec (avec la permission du Musée national des sciences naturelles).

La métallurgie est l’art, la science et la technologie présidant à la transformation des métaux et des alliages (c.-à-d., des mélanges de deux ou plusieurs métaux) de façon à les rendre propres à un usage. On trouve certains à l’état natif (p. ex. l’or, l’argent, le cuivre), c’est-à-dire sous forme d’élément non composé, et quelques-uns peuvent être produits à partir d’eau de mer, tel que le magnésium. Cependant, la plupart des métaux sont extraits de composés minéraux présents naturellement à la surface du sol, ou près de la surface du sol. Au Canada, la plupart des métaux non ferreux (c.-à-d., des métaux autres que le fer et l’acier) sont produits à partir de minerai sulfuré. On compte trois étapes dans l’extraction des métaux de leur minerai : le traitement du minerai, l’extraction chimique et l’affinage.

Traitement du minerai

Le traitement du minerai comprend le traitement chimique et physique du minerai pour augmenter la teneur de la matière minérale de valeur avant l’étape de l’extraction du métal. Ce traitement vise à éliminer le plus de déchets de roche que possible. On compte deux étapes principales au traitement : la comminution et la séparation.

Comminution

La comminution consiste à libérer le minéral (p. ex., le sulfure de nickel ou le sulfure de cuivre) des déchets de roche (gangue) par des opérations de concassage et de broyage. Le minerai est concassé à l’aide de concasseurs à mâchoires et de concasseurs giratoires. Le minerai concassé est ensuite broyé et réduit en particules d’une dimension de moins de 75 micromètres (µm) au moyen de broyeurs à galets et de broyeurs à barre. Le broyage est habituellement effectué dans l’eau afin de minimiser la production de particules de poussière. Le degré de broyage dépend de la dimension du minéral et de sa distribution dans le minerai. Au Canada, bon nombre des gisements sulfurés doivent subir un broyage qui produit des particules de moins de 30 µm.

Séparation

La séparation du minéral de valeur des déchets produit une roche enrichie (c.-à-d., concentrée ou fertile) et une roche pauvre (c.-à-d., résiduelle ou stérile). Pour la séparation, on tire profit des différences des propriétés physiques et chimiques des minéraux, telles que leur densité, leur radioactivité, leur magnétisme, leur conductivité électrique et leur tension superficielle. Cette dernière propriété, la plus utilisée, est très efficace, surtout lorsqu’il est question de minerais sulfurés. Le procédé de séparation qui exploite cette propriété porte le nom de flottation. Celui-ci consiste à injecter de l’air dans la pulpe minerai-eau contenue dans un réservoir qui est par la suite agitée vigoureusement afin de briser l’air en bulles fines. Enfin, le minéral de valeur s’attache aux bulles d’air et monte à la surface où il forme une mousse stable qui est récupérée. La colonne de flottation est une invention canadienne qui représente une innovation importante technologie dans le domaine de la flottation des années 1980. Sa hauteur est généralement de 13 m, et son diamètre, de 1 à 2 m.

La masse et le poids des fertiles qui résultent du traitement des minerais sont grandement réduits. Par exemple, 100 kg de minerai de cuivre contenant 1 % de cuivre sous forme de sulfure peuvent être réduits en un concentré de 4 kg qui contiennent 25 % de cuivre, ce qui représente une réduction de 96 % du poids initial du minerai.

Extraction chimique

Contrairement aux oxydes métalliques (c.-à-d., les composés chimiques contenant du métal et de l’oxygène), les sulfures de métaux ne peuvent pas être directement réduits à un état métallique. Les procédés d’extraction sont souvent répartis en procédés pyrométallurgiques (c.-à-d., les traitements à haute température, comme la fusion, le grillage et la distillation, et les traitements dans des fourneaux) ou en procédés hydrométallurgiques (c.-à-d., les traitements par solution aqueuse, habituellement effectués à une température quasi ambiante). La plupart des procédés d’extraction de métal utilisent des traitements à haute température en combinaison avec des traitements par solution aqueuse.

Exemples de minerais sulfurés

Cuivre

Pour ce qui est du cuivre, le principal minéral trouvé dans le concentré est la chalcopyrite (CuFeS2). La méthode couramment utilisée pour produire du cuivre à partir de ce type de concentré comprend le grillage, la fusion, le convertissage et l’affinage. Le grillage consiste à chauffer le concentré de sulfure à une température de 600 à 700 °C en présence d’air afin d’oxyder partiellement le sulfure de fer et de le convertir en oxyde de fer et en anhydride sulfureux. Les produits solides issus du traitement sont ensuite liquéfiés dans un fourneau (c.-à-d., la fusion) avec un fondant (c.-à-d., une substance qui stabilise la fusion, soit de la silice) afin de séparer et extraire les oxydes en scorie (c.-à-d., les déchets ou les stériles) et les sulfures cuivre-fer enrichis en matte (c.-à-d., les fertiles).

La matte liquide est ensuite placée dans un convertisseur où le fer et le soufre encore présents sont éliminés par l’action d’un courant d’air injecté dans la matte. Le produit qui en résulte est un cuivre brut pur à plus de 98 %. Les impuretés présentes dans le concentré se retrouvent dans le cuivre après le traitement. Une partie de ces impuretés (p. ex., le zinc, l’étain, le fer et le soufre) peut être éliminée par une opération d’affinage au feu, au cours de laquelle un courant d’air est injecté dans le cuivre fondu afin d’oxyder les impuretés sélectivement et de les transformer en scories ou en oxyde gazeux. Les scories peuvent ensuite être écumées et le cuivre est recouvert de charbon afin de prévenir l’oxydation. À cette étape, le cuivre contient environ 1 % d’oxygène.

Autrefois, la plus grande partie de l’oxygène était éliminée au moyen d’une perche de bois fraîchement coupée que l’on agitait sous la surface du cuivre. Aujourd’hui, on utilise plutôt le gaz naturel, ce qui permet de réduire le contenu d’oxygène à environ 0,13 %. Le cuivre de cette qualité, souvent appelé « cuivre désoxydé », est vendu aux fabricants. Une petite quantité de métaux précieux peut être présente dans le cuivre. On ne peut pas les éliminer par l’affinage au feu, le cuivre doit subir un affinage supplémentaire, appelé affinage par électrolyse.

Lors de l’affinage par électrolyse, le cuivre, préalablement affiné au feu, est coulé afin de former un gros bloc qui sert d’anode (c.-à-d., une électrode positive). Ce bloc est placé dans une solution de sulfate de cuivre (c.-à-d., un électrolyte, une solution dans laquelle un courant électrique se produit par l’action des ions) avec une mince feuille de cuivre de grande pureté, qui fait office de cathode (c.-à-d., une électrode négative). Un courant électrique continu est appliqué à l’anode et passe dans l’électrolyte et la cathode, ce qui a comme résultat de faire passer le cuivre de l’anode dans l’électrolyte sous forme d’ions de cuivre qui migrent ensuite vers la surface de la cathode où ils se déposent. Les métaux précieux ne se dissolvent pas, mais descendent au fond de la cuve d’affinage, ce qu’on nomme « boue anodique ». Les boues sont recueillies périodiquement et les métaux des groupes de l’or, de l’argent et du platine sont recueillis. La cathode de cuivre affiné est fondue et coulée dans des formes qui peuvent être utilisées par l’industrie.

À la fin des années 1940, Inco Ltée a mis au point une nouvelle technologie, le grillage éclair, afin de griller les concentrés de cuivre à Copper Cliff, en Ontario. En utilisant de l’oxygène pur, les techniciens d’Inco ont pu enflammer spontanément les concentrés de sulfure, ce qui permet de combiner les étapes de grillage et de fusion. Ce processus ne requiert pas de combustible pour la fusion et c’est un moyen efficace pour recueillir l’anhydride sulfureux sous forme de gaz en vue de le liquéfier. Inco a été la première entreprise à utiliser l’oxygène pur pour l’extraction de métaux et à produire de l’anhydride sulfureux liquide à partir de concentré de sulfure. À la fin des années 1960, Noranda a mis au point un procédé continu d’extraction du cuivre qui utilise un seul fourneau (le réacteur Noranda). Ce réacteur consiste en un cylindre horizontal dans lequel les opérations de grillage, de fusion et de convertissage sont combinées.

Les concentrés (fertiles) et le fondant sont introduits à une extrémité et la surface du bain est constamment agitée par l’action d’un courant d’air oxygéné (23,5 % de O2) injecté par des tuyères de soufflage (busettes) situées sur les côtés du réacteur. La matte, ou le cuivre produit, est recueillie par un côté du cylindre et les scories sont éliminées par l’extrémité. Les scories contiennent une proportion importante de cuivre et subissent un traitement au cours duquel elles sont concassées alors qu’elles se refroidissent lentement. Le matériau cuprifère est récupéré par flottation, ce qui produit un concentré de scorie qui contient 40 % de cuivre qui est retourné au réacteur. Ce traitement est utilisé par Noranda, au Québec, depuis 1973.

Nickel

Au Canada, deux méthodes sont surtout utilisées pour produire du nickel : la première est le lessivage et la deuxième consiste en des opérations de grillage, de fusion et de convertissage semblables à celles utilisées pour la production du cuivre. Au cours du lessivage, mis au point par la Sherritt Gordon Ltd et utilisée à Fort Saskatchewan, en Alberta, le concentré de sulfure est mélangé à une liqueur d’attaque qui contient de l’ammoniaque et de l’oxygène, air comprimé entre 689 et 758 kilopascals (kPa), puis chauffé à 80 °C. Le nickel, le cuivre et le cobaltprésents dans le concentré forment des complexes ammoniacaux solubles. La solution qui contient les métaux dissous est séparée des résidus. Le cuivre est ensuite déposé par précipitation, sous forme de sulfure de cuivre, en augmentant l’acidité de la solution et en utilisant de l’hydrogène sulfuré. Du nickel métallique, sous forme de poudre, est alors produit en réduisant la solution en présence d’hydrogène gazeux à une pression de 3 445 kPa et à une température de 200 °C. La solution, ne contenant plus de nickel, est alors traitée avec de l’hydrogène sulfuré afin de recueillir le cobalt sous forme de sulfure de cobalt. La solution, ne contenant plus de métal, est alors évaporée afin de récupérer les sulfates d’ammonium qui servent de fertilisants.

Exemples de minéraux oxydés

Magnésium

Au Canada, le magnésium est produit par la Chromasco près de Renfrew, en Ontario. La méthode utilisée, inventée et mise au point au Canada pendant la Deuxième Guerre mondiale par Lloyd M. Pidgeon, s’appelle le procédé Pidgeon. De la dolomie calcinée (MgO CaO) est mélangée à du ferrosilicium, puis le mélange est placé dans une cornue tubulaire faite d’acier inoxydable, où la pression de l’air est réduite à environ 0,003 kPa. Une extrémité de la cornue est chauffée à une température d’environ 1 180 °C; l’autre est refroidie. La vapeur de magnésium formée se condense à l’extrémité refroidie par l’eau et forme un dépôt dense et cohérent. Les cristaux de magnésium sont recueillis, puis fondus et coulés en lingots.

Uranium

uranium est extrait de différents minéraux comme la pechblende, l’uraninite et la brannerite. Le minerai contenant ces minéraux est concassé, broyé et traité avec de l’acide sulfurique afin de dissoudre l’uranium. La solution contenant l’uranium est séparée des résidus solides et purifiée à l’aide de techniques d’échange d’ions ou de désolvation. L’uranium est ensuite précipité sous forme de diurinate d’ammonium ou de magnésium. Le matériau est filtré, séché et envoyé aux affineries où il est purifié afin de produire des composés de qualité nucléaire comme l’oxyde d’uranium (UO2) et le fluorure d’uranium (UF6).

Questions environnementales

Au Canada, les usines métallurgiques sont souvent situées près des mines dans des zones à faible population; ce qui fait qu’on ne pensait pas beaucoup aux problèmes écologiques jusqu’à tout récemment. Généralement, il n’y avait pas d’équipement pour capter ou fixer l’anhydride sulfureux gazeux et tous les gaz étaient émis à l’air libre par les cheminées. Aujourd’hui, en raison des nouvelles connaissances sur l’effet des gaz toxiques sur l’environnement et face aux inquiétudes grandissantes de la population, l’élimination des polluants qui proviennent des usines métallurgiques revêt cependant une très grande importance pour l’industrie (voir Pollution de l’air). Au Canada, les principaux polluants qui proviennent des opérations de traitement de matériau non ferreux sont les particules solides et l’anhydride sulfureux gazeux qui provoquent des pluies acides.

L’élimination des particules se fait à l’aide d’équipements d’épuration des gaz sophistiqués comme les laveurs à Venturi, les cyclones, les sacs filtrants et les séparateurs électrostatiques. L’assainissement des gaz de four de fusion est très difficile. Environ 98 % du soufre qui entre dans l’usine sous forme de sulfure est émis sous forme d’anhydride sulfureux gazeux. Les émissions, en formant des acides et autres composés dans l’atmosphère, peuvent nuire grandement à la santé, à la végétation et à la propriété. Afin de protéger l’environnement, il est nécessaire de capter l’anhydride sulfureux et de le transformer en un produit utile qui peut être mis sur le marché ou en déchet stérile qui peut être entreposé de façon sûre. La transformation la plus utilisée est la production d’acide sulfurique. Cependant, si le contexte économique et la concentration d’anhydride sulfureux gazeux le permettent, les autres composés qui peuvent être produits comprennent le soufre en fleur, le bioxyde de soufre liquide, le sulfate d’ammonium et le gypse. Au Canada, l’acide sulfurique et l’anhydride sulfureux liquide sont produits dans des usines de métaux non ferreux.

Voir aussi Sidérurgie, Exploitation minière et Ressources minérales.


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