Exploitation minière et raffinage : de la terre rouge à l'aluminium

Peu importe le nombre de syllabes que vous utilisez pour le dire, l'aluminium est l'un des métaux industriels les plus utiles que nous ayons. Léger, solide, facilement allié, hautement conducteur et facile à usiner, couler et extruder, l'aluminium a trouvé sa place dans pratiquement tous les processus industriels et produits commerciaux imaginables.

La vie moderne serait impossible sans l'aluminium, et pourtant le métal argenté n'est largement utilisé que depuis environ 100 ans. Il n'y a pas si longtemps, la vaisselle en aluminium était un symbole de statut social, et elle valait littéralement plus que son poids en or. La raison de sa rareté unique réside dans l'effort nécessaire pour extraire l'élément abondant des roches qui le transportent, ainsi que dans l'énergie pour le faire. Les forces qui empêchaient l'aluminium d'être utilisé par l'homme jusqu'à récemment ont été surmontées, et la chimie et l'ingénierie nécessaires pour y parvenir valent la peine d'être examinées dans notre prochain épisode de "Mine et raffinage".

L'aluminium est l'élément métallique le plus abondant de la croûte terrestre. Mais pour quelque chose qui représente en moyenne 8 % du sol sous vos pieds, il est extrêmement difficile de trouver sa forme élémentaire. Il n'y a pas d'affleurements ou de veines d'aluminium métallique à exploiter; l'aluminium se trouve presque toujours sous ses diverses formes d'oxydes et doit être chimiquement libéré pour pouvoir être utilisé comme métal industriel.

Bien que les roches aluminifères soient largement distribuées, il n'existe que quelques gisements économiquement significatifs du principal minerai d'aluminium : la bauxite. Le contenu exact de la bauxite varie, mais il est généralement composé de minéraux d'oxyde d'aluminium en association avec des hydroxydes d'aluminium, des argiles, du quartz et des minéraux ferreux. Certains des gisements de bauxite les plus importants et les plus riches sont situés sous les tropiques, où alternent des périodes de températures élevées et de pluies abondantes suivies de longues périodes sèches.

L'altération chimique que ces conditions favorisent est vraiment la première étape du traitement de l'aluminium - elle brise la bauxite, qui est déjà une roche très tendre, en morceaux de la taille d'une bouchée qui sont facilement ramassés. La plupart de la bauxite est extraite à l'aide de techniques d'exploitation à ciel ouvert. Le leader mondial actuel de la production de bauxite est l'Australie, qui produit environ un quart de la production mondiale. La Chine arrive en deuxième position, suivie de la nation ouest-africaine de Guinée en troisième position. Il existe également d'importants gisements de bauxite au Brésil et dans les Caraïbes, principalement en Jamaïque.

Parce qu'il n'y a que quelques endroits dans le monde où la bauxite est extraite, le minerai est souvent expédié sur de longues distances pour un traitement ultérieur. Cela peut devenir une proposition dangereuse lorsque le minerai est expédié à travers l'océan en raison de la liquéfaction et de la séparation dynamique. La bauxite contient généralement beaucoup d'argile et, lorsqu'elle est exposée à l'eau de pluie, elle peut former une suspension semblable à du sable mouvant qui se comporte comme un liquide. Lorsqu'elle est chargée dans les cales d'un navire vraquier, la bauxite trop humide peut flotter et, lorsqu'elle est associée à la tendance de l'eau dans la boue à migrer vers le haut, modifier le centre de gravité du navire avec des résultats désastreux.

Le minerai de bauxite brut doit être traité chimiquement pour éliminer les impuretés et le rendre prêt pour la fusion de l'aluminium qu'il contient. Le procédé Bayer est presque toujours utilisé pour y parvenir et consiste à cuire de grandes quantités de bauxite broyée dans un récipient sous pression avec une solution de soude caustique ou d'hydroxyde de sodium. Entre 150 et 200°C, les oxydes et hydroxydes d'aluminium, normalement insolubles dans l'eau, réagissent avec le sodium de la soude pour former de l'aluminate de sodium :

Cela solubilise l'aluminium dans la bauxite mais pas les impuretés, qui sont principalement des oxydes de fer. Les matériaux insolubles, ainsi que l'hydroxyde de sodium en excès, sont filtrés dans un déchet appelé "boue rouge". De grandes quantités de boue rouge sont produites dans les usines de traitement de la bauxite et stockées dans des lagunes, souvent formées par l'inondation de fosses de bauxite épuisées lorsque le minerai est traité à proximité de l'endroit où il a été extrait. Les oxydes contenus dans la boue rouge ont une valeur économique et peuvent être récupérés pour être utilisés dans des procédés industriels qui incluent la récupération de traces d'éléments de terres rares qui peuvent être présents dans les résidus. La boue rouge peut également conduire à un désastre si elle n'est pas correctement manipulée.

La dernière étape du traitement de la bauxite consiste à précipiter l'aluminium dans le filtrat et à le purifier. Ceci est accompli en ensemençant la solution contenant l'aluminate de sodium avec des cristaux hautement purifiés d'hydroxyde d'aluminium. Cela provoque la formation et la chute de cristaux d'hydroxyde d'aluminium de la solution sursaturée :

Les cristaux d'hydroxyde d'aluminium sont recueillis et traités dans un four rotatif à haute température. Dans un processus appelé calcination, l'hydroxyde d'aluminium est décomposé thermiquement en cristaux blancs purs d'oxyde d'aluminium :

L'étape suivante du traitement consiste à faire fondre l'aluminium élémentaire à partir de l'alumine. Le procédé utilisé pour y parvenir est le procédé Hall-Héroult, du nom du chimiste américain Charles Martin Hall et du scientifique et inventeur français Paul Héroult, qui ont indépendamment et presque simultanément inventé le procédé en 1886. Le procédé cherche essentiellement à défaire les processus oxydatifs de la nature. qui enfermait à l'origine l'aluminium élémentaire dans ses oxydes pour former de la bauxite. Il le fait de manière électrolytique et nécessite donc un accès à des quantités massives d'électricité bon marché pour être économiquement viable ; c'est pourquoi les alumineries sont souvent situées à proximité de barrages hydroélectriques.

Pour électrolyser la poudre d'alumine, il faut d'abord la liquéfier. Il n'est pas possible de le fondre simplement, car il a un point de fusion scandaleusement élevé (2 072 ° C). La clé du procédé Hall-Héroult fut la découverte de la cryolite, un sel de sodium, d'aluminium et de fluor. La cryolithe abaisse le point de fusion de l'alumine à environ 900°C, rendant l'électrolyse possible. La cryolite est présente à l'état naturel mais elle est très rare, ne se trouvant que dans quelques endroits sur Terre. La quasi-totalité de la cryolithe utilisée pour la fusion de l'aluminium est maintenant produite synthétiquement.

À l'échelle industrielle, le procédé Hall-Héroult est réalisé à des niveaux presque ridicules, avec des usines de fusion si grandes qu'elles peuvent être vues de l'espace. Chaque cellule de réaction en acier, appelée pot, est doublée de céramique et possède une cathode en graphite au fond. Le pot est chargé de poudre d'alumine et de cryolite, et une anode composite massive est abaissée dans le mélange. L'anode est constituée principalement de coke fondu avec un cadre en cuivre ou en acier pour conduire le courant nécessaire - des centaines de milliers d'ampères - pour électrolyser la solution.

La réaction d'électrolyse provoque la formation d'aluminium métallique à l'anode de chaque cellule. Le métal en fusion est plus dense que l'électrolyte, de sorte que les gouttelettes tombent au fond du pot où elles s'accumulent sur la cathode. Les pots fonctionnent en continu et il faut entre un et trois jours pour que suffisamment d'aluminium fondu s'accumule. Le métal liquide est extrait par un siphon, les anodes consommables sont remplacées au besoin et une autre charge est ajoutée au pot.

L'aluminium qui sort du pot est composé d'environ 99% d'aluminium pur et est généralement coulé en lingots ou en barres pour un traitement ultérieur. L'aluminium à ce niveau de pureté est principalement utilisé pour les récipients alimentaires ou comme conducteurs électriques, tels que les lignes électriques aériennes. Si un métal de pureté supérieure est souhaité, un autre procédé électrolytique connu sous le nom de procédé Hoopes peut amener la pureté jusqu'au niveau "quatre neuf" (99,99%). Tous les métaux purs à 99 % et plus sont appelés aluminium « série 1000 ».

L'aluminium pur n'est généralement pas très utile industriellement, donc la plupart de l'aluminium est allié à d'autres métaux pour obtenir d'autres caractéristiques. Par exemple, l'aluminium de la série 2000 est principalement allié au cuivre pour sa résistance et sa ténacité, et se retrouve dans la fabrication d'avions. Les métaux de la série 3000, comme l'alliage 3003 trouvé dans les conduits et les ustensiles de cuisine, sont alliés au manganèse pour la maniabilité. Le silicium est allié à l'aluminium pour former les métaux de la série 4000 ; l'ajout de magnésium donne les métaux de la série 6000 comme les populaires 6061 et 6063 qui apparaissent dans tout, des extrusions d'aluminium aux blocs moteurs.