Étain

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Contexte

L'étain est l'un des éléments chimiques de base. Une fois raffiné, c'est un métal blanc argenté connu pour sa résistance à la corrosion et sa capacité à revêtir d'autres métaux. Il est le plus souvent utilisé comme placage sur les tôles d'acier utilisées pour former des boîtes de conserve pour les aliments. L'étain est également combiné avec du cuivre pour former du bronze et avec du plomb pour former de la soudure. Un composé d'étain, le fluorure stanneux, est souvent ajouté au dentifrice comme source de fluorure pour prévenir la carie dentaire.

L'utilisation la plus ancienne de l'étain date d'environ 3500 av. dans ce qui est aujourd'hui la Turquie, où il a d'abord été extrait et traité. Les anciens métallurgistes ont appris à combiner du cuivre relativement doux avec de l'étain pour former un bronze beaucoup plus dur, qui pourrait être transformé en outils et en armes plus durables et plus tranchants. Cette découverte a commencé ce qu'on appelle l'âge du bronze, qui a duré environ 2 000 ans. La supériorité des outils en bronze a stimulé la recherche d'autres sources d'étain. Lorsque d'importants gisements d'étain ont été découverts en Angleterre, les commerçants ont apporté le métal précieux dans les pays de la région méditerranéenne, mais ont gardé la source secrète. Ce n'est qu'en 310 BC. que l'explorateur grec Pythéas a découvert l'emplacement des mines près de ce qui est maintenant les Cornouailles, en Angleterre. Une grande partie de l'impulsion pour l'invasion romaine de la Grande-Bretagne en 43 A.D. était de contrôler le commerce de l'étain. Le symbole chimique de l'étain, Sn, est dérivé du nom latin du matériau, stannum.

Ailleurs dans le monde, l'étain était utilisé dans la Chine ancienne et parmi une tribu inconnue de l'actuelle Afrique du Sud. Vers 2500-2000 av. , les métallurgistes du plateau de Khorat, au nord-est de la Thaïlande, utilisaient des sources locales d'étain et de cuivre pour produire du bronze, et vers 1600 av. des charrues en bronze étaient utilisées dans ce qui est maintenant le Vietnam. L'étain était également connu et utilisé au Mexique et au Pérou avant la conquête espagnole dans les années 1500.

L'utilisation de l'étain comme matériau de placage remonte à l'époque de l'Empire romain, lorsque les récipients en cuivre étaient recouverts d'étain pour les garder brillants. Les récipients en fer étamé sont apparus en Europe centrale, dans les années 1300. De fines feuilles de fer recouvertes d'étain, appelées fer-blanc, sont devenues disponibles en Angleterre au milieu des années 1600 et ont été utilisées pour fabriquer des récipients en métal. En 1810, Pierre Durand de France a breveté une méthode de conservation des aliments dans des boîtes de fer-blanc scellées. Bien qu'il ait fallu de nombreuses années d'expérimentation pour perfectionner cette nouvelle technique, les boîtes de conserve ont commencé à remplacer les bouteilles pour les emballages alimentaires au milieu des années 1800.

En 1839, Isaac Babbitt des États-Unis a inventé un alliage antifriction, appelé métal Babbitt, composé d'étain, d'antimoine et de cuivre. Il a été largement utilisé dans les roulements et a grandement contribué au développement de machines et de transports à grande vitesse.

En 1952, la firme de Pilkington en Angleterre a révolutionné l'industrie verrière avec l'introduction de la méthode du « verre flotté » pour la production en continu de verre à vitres. Dans cette méthode, le verre en fusion flotte sur un bain d'étain liquide en fusion en refroidissant. Cela produit une surface de verre très plate sans les opérations de laminage, de meulage et de polissage qui étaient nécessaires avant l'introduction de cette méthode.

Aujourd'hui, la majeure partie de l'étain dans le monde est produite en Malaisie, en Bolivie, en Indonésie, en Thaïlande, en Australie, au Nigeria et en Angleterre. Il n'y a pas de gisements importants d'étain aux États-Unis.

Matières premières

Il existe neuf minerais contenant de l'étain que l'on trouve naturellement dans la croûte terrestre, mais le seul qui soit exploité dans une certaine mesure est la cassitérite. En plus des minerais eux-mêmes, plusieurs autres matériaux sont souvent utilisés pour traiter et raffiner l'étain. Ceux-ci comprennent le calcaire, la silice et le sel. Le carbone, sous forme de charbon ou de fioul, est également utilisé. La présence de concentrations élevées de certains produits chimiques dans le minerai peut nécessiter l'utilisation d'autres matériaux.

Le processus de fabrication

Le processus d'extraction de l'étain du minerai d'étain varie en fonction de la source du gisement et de la quantité d'impuretés trouvées dans le minerai. Les gisements d'étain en Bolivie et en Angleterre sont situés en profondeur et nécessitent l'utilisation de tunnels pour atteindre le minerai. Le minerai de ces gisements peut contenir environ 0,8 à 1,0 % d'étain en poids. Les gisements d'étain en Malaisie, en Indonésie et en Thaïlande sont situés dans le gravier le long du lit des cours d'eau et nécessitent l'utilisation de dragues ou de pompes pour atteindre le minerai. Le minerai de ces gisements peut contenir aussi peu que 0,015% d'étain en poids. Plus de 80 % de l'étain mondial se trouve dans ces gisements de gravier à faible teneur.

Quelle que soit la source, chaque processus consiste en plusieurs étapes au cours desquelles les matériaux indésirables sont éliminés physiquement ou chimiquement et la concentration en étain est progressivement augmentée. Certaines de ces étapes sont réalisées sur le site minier, tandis que d'autres peuvent être réalisées dans des installations distinctes.

Voici les étapes utilisées pour traiter le minerai à faible teneur généralement trouvé dans les gisements de gravier en Asie du Sud-Est :

Exploitation minière

• 1 Lorsque les dépôts de gravier sont situés au niveau ou au-dessous du niveau de l'eau dans le cours d'eau, ils sont soulevés par une drague flottante, opérant dans un étang artificiel créé le long du lit du cours d'eau. La drague creuse le gravier à l'aide d'une longue flèche équipée soit de godets entraînés par chaîne, soit d'une tête de coupe rotative immergée et d'un tuyau d'aspiration. Le gravier passe à travers une série de tamis rotatifs et de tables vibrantes à bord de la drague pour séparer le sol, le sable et les pierres du minerai d'étain. Le minerai restant est ensuite collecté et transféré à terre pour un traitement ultérieur.

  Un bonnet en étain était souvent offert comme cadeau du dixième anniversaire au cours des années 1800. (Provenant des collections du Henry Ford Museum 6, Greenfield Village, Dearborn, Michigan.)

  Dans les années 1800, l'étain était un matériau ménager ordinaire particulièrement populaire auprès de la classe ouvrière en raison de son faible coût et de son lustre éclatant. Fabriqué en fer ou en acier laminé mince et trempé dans de l'étain fondu, il était facile à manipuler, à couper et à souder. L'étain était utilisé pour presque tout ce pour quoi le cuivre, l'étain, le laiton ou l'argent pouvaient être utilisés, mais ne durait généralement pas aussi longtemps. L'examen des catalogues d'étain d'environ 1870 révèle que l'étain était utilisé pour bien plus que des emporte-pièces :il était utilisé pour fabriquer des jouets pour enfants, des cafetières, des boîtes à lunch et même des crachoirs pour messieursl

  Cependant, il était également couramment utilisé pour produire un cadeau pour le dixième anniversaire, appelé « anniversaire de l'étain ». Bien qu'elle ne soit pas aussi connue que la vingt-cinquième, qui nécessite des cadeaux en argent, la ménagère victorienne savait qu'elle pourrait bien recevoir un cadeau d'étain pour le dixième anniversaire comme le bonnet en étain représenté ici. En forme de « bonnet cuillère » populaire vers 1870, il est probable que cette pièce date de cette époque. Certes, il ne peut pas être porté, mais était destiné à être affiché sur une étagère en souvenir de cet anniversaire. Les ferblantiers offraient des cadeaux fantaisistes à cette fin. Les collections du musée comprennent non seulement des chapeaux, mais aussi des chaussures en fer blanc et des vases décoratifs qui ne pourraient jamais être utilisés pour retenir l'eau.

  Nancy EV Bryk

  Lorsque les dépôts de gravier sont situés dans des zones sèches au niveau ou au-dessus du niveau de l'eau dans le Lorsque les dépôts de gravier sont situés au niveau ou au-dessous du niveau de l'eau, ils sont soulevés par une drague flottante, opérant dans un étang artificiel créé le long du lit du ruisseau. Lorsque les dépôts de gravier sont situés dans des zones sèches au niveau ou au-dessus du niveau de l'eau, ils sont d'abord brisés par des jets d'eau pompés à travers de grandes buses. Ensuite, le minerai entre dans le hangar de nettoyage ou d'habillage adjacent à l'exploitation minière. cours d'eau, ils sont d'abord brisés par des jets d'eau pompés par de grandes buses. La boue boueuse qui en résulte est piégée dans un étang artificiel. Une pompe située au point le plus bas de l'étang pompe le lisier dans une auge en bois, appelée palong, qui a une pente descendante douce sur toute sa longueur. Le minerai d'étain, qui est plus lourd que le sable et la terre dans la boue, a tendance à couler et est piégé derrière une série de lattes de bois, appelées radiers. Périodiquement, le minerai piégé est déversé du palong et est collecté pour un traitement ultérieur.

Concentration

• 2 Le minerai entre dans le hangar de nettoyage ou d'habillage adjacent à l'exploitation minière. Tout d'abord, il passe à travers plusieurs tamis vibrants pour séparer les matières étrangères plus grossières. Il peut ensuite passer par un bassin de classement rempli d'eau, où le minerai coule au fond tandis que les très petites particules de limon sont emportées. Il peut également passer par un réservoir de flottaison, où certains produits chimiques sont ajoutés pour faire remonter les particules d'étain à la surface et déborder dans des auges.
• 3 Enfin, le minerai est séché, tamisé à nouveau et passé à travers un séparateur magnétique pour éliminer toute particule de fer. Le concentré d'étain résultant est maintenant d'environ 70 à 77 % d'étain en poids et se compose de cassitérite presque pure.

Fonte

• 4 Le concentré d'étain est placé dans un four avec du carbone sous forme de charbon ou de mazout. Si un concentré d'étain avec un excès d'impuretés est utilisé, du calcaire et du sable peuvent également être ajoutés pour réagir avec les impuretés. Lorsque les matériaux sont chauffés à environ 2550 °F (1400 °C), le carbone réagit avec le dioxyde de carbone dans l'atmosphère du four pour former du monoxyde de carbone. À son tour, le monoxyde de carbone réagit avec la cassitérite dans le concentré d'étain pour former de l'étain brut et du dioxyde de carbone. Si du calcaire et du sable sont utilisés, ils réagissent avec la silice ou le fer présent dans le concentré pour former un laitier.
• 5 Étant donné que l'étain forme facilement des composés avec de nombreux matériaux, il réagit souvent avec le laitier. En conséquence, le laitier du premier four contient une quantité appréciable d'étain et doit être traité davantage avant d'être jeté. Le laitier est chauffé dans un deuxième four avec du carbone, de la ferraille et du calcaire supplémentaires. Comme auparavant, de l'étain brut est formé et récupéré avec une certaine quantité de scories résiduelles. Le concentré d'étain est placé dans un four avec du carbone sous forme de charbon ou de mazout. Il est chauffé et forme un laitier avec l'étain brut. Le laitier et l'étain brut sont chauffés plusieurs fois de plus pour éliminer les impuretés et récupérer la tête dure de l'étain.
• 6 Le laitier résiduel du deuxième four est chauffé une fois de plus pour récupérer l'étain qui a formé des composés avec le fer. Ce matériau est connu sous le nom de tête dure. Le laitier restant est jeté.

Raffinage

• 7 L'étain brut du premier four est placé dans un four à basse température avec l'étain brut récupéré du laitier plus la tête dure. Étant donné que l'étain a une température de fusion bien inférieure à celle de la plupart des métaux, il est possible d'élever soigneusement la température du four afin que seul l'étain fonde, laissant tout autre métal sous forme solide. L'étain fondu coule sur une surface inclinée et est collecté dans une bouilloire, tandis que les autres matériaux restent derrière. Ce processus est appelé liquidation et il élimine efficacement une grande partie du fer, de l'arsenic, du cuivre et de l'antimoine qui peuvent être présents.
• 8 L'étain fondu dans la bouilloire à perches est agité avec de la vapeur, de l'air comprimé ou des perches de bois vert. Ce processus est appelé ébullition. Le bois vert, étant humide, produit de la vapeur en même temps que l'agitation mécanique des perches. C'est de cette utilisation grossière mais efficace des poteaux en bois que la marmite à poteaux tire son nom. La plupart des impuretés restantes remontent à la surface pour former une écume qui est éliminée. L'étain raffiné est maintenant pur à environ 99,8 %.
• 9 Pour les applications nécessitant une pureté encore plus élevée, l'étain peut être traité davantage dans une usine de raffinage électrolytique. L'étain est versé dans des moules pour former de grandes anodes électriques, qui servent de bornes positives pour le processus d'électroraffinage. Chaque anode est placée dans un réservoir individuel, et une feuille d'étain est placée à l'extrémité opposée du réservoir pour servir de cathode, ou borne négative. Les réservoirs sont remplis d'une solution électriquement conductrice. Lorsqu'un courant électrique traverse chaque réservoir, l'étain est retiré de l'anode et se dépose sur la cathode. Les impuretés restantes, qui sont généralement du bismuth et du plomb, tombent de la solution et forment une boue au fond du réservoir.
• 10 Les cathodes sont refondues et l'étain raffiné est coulé dans des moules en fer pour former des lingots ou des barres, qui sont ensuite expédiés aux différents utilisateurs finaux. L'étain de pureté inférieure est généralement coulé en lingots pesant de 25 à 100 lb (11 à 45 kg). L'étain de pureté supérieure est coulé en barres plus petites pesant environ 2 lb (1 kg).

Contrôle qualité

Il a été prouvé que les processus décrits produisent de l'étain à une pureté de 99 % et plus. Pour garantir cette pureté, les échantillons sont analysés à différentes étapes pour déterminer si des ajustements aux processus sont nécessaires.

La tête dure en étain est encore raffinée, jusqu'à ce qu'elle soit moulée en lingots d'étain.

Aux États-Unis, les niveaux de pureté des qualités commerciales d'étain sont définis par la classification standard B339 de l'American Society for Testing Materials (ASTM). Le grade le plus élevé est AAA, qui contient 99,98 % d'étain et est utilisé pour la recherche. Le grade A, qui contient 99,80% d'étain, est utilisé pour former du fer blanc pour les récipients alimentaires. Les grades B, C, D et E sont des grades inférieurs allant jusqu'à 99% de pureté. Ils sont utilisés pour fabriquer des alliages d'étain à usage général tels que le bronze et la soudure.

Sous-produits/Déchets

Il n'y a pas de sous-produits utiles issus du traitement de l'étain.

Les déchets comprennent le sol, le sable et les pierres qui sont rejetés lors des opérations d'extraction et de concentration. Ceux-ci constituent une énorme quantité de matière, mais leur impact environnemental dépend des pratiques d'élimination locales et des concentrations d'autres minéraux qui peuvent être présents. Le laitier produit lors des opérations de fusion et d'affinage est également un déchet. Il peut contenir des quantités d'arsenic, de plomb et d'autres matières potentiellement nocives. L'étain lui-même n'a aucun effet nocif connu sur l'homme ou l'environnement.

Le futur

L'utilisation de l'étain devrait se développer à mesure que de nouvelles applications sont développées. Étant donné que l'étain n'a pas d'effets néfastes connus, il devrait remplacer d'autres métaux plus nocifs pour l'environnement tels que le plomb, le mercure et le cadmium. Une nouvelle application est la formulation de soudures étain-argent pour remplacer les soudures étain-plomb dans l'industrie électronique. Une autre application est l'utilisation de la grenaille d'étain pour remplacer la grenaille de plomb dans les cartouches de fusil de chasse.

Des travaux de développement sont en cours pour créer un composé à base d'étain à utiliser dans les sites d'enfouissement des déchets. Ce composé interagira avec les métaux lourds, tels que le plomb et le cadmium, pour empêcher l'eau de pluie de les transporter dans le sol et la nappe phréatique environnants.