Zinc : propriétés, applications et processus de production

Contexte

Le zinc (Zn, numéro atomique 30, poids atomique 65,37) est un élément métallique gris qui fond à 420 °C. Dans la nature, il ne se trouve qu'à l'état combiné et est généralement extrait pour l'usage en fonderie et revêtements protecteurs.

Les Romains ont d'abord allié le zinc au cuivre pour produire du laiton, mais la pleine valeur métallurgique du zinc n'a été comprise qu'au 18e siècle. Le chimiste allemand N. S. Marggraf a isolé le zinc pur en 1746, et la première fonderie industrielle a ouvert à Bristol, en Angleterre, peu après.

Aujourd'hui, les États-Unis fournissent environ 5 % de la production mondiale de zinc, le reste provenant principalement de l'Inde, du Mexique et du Canada. La production mondiale de minerai de zinc totalise environ 6,7 millions de tonnes métriques par an, et environ deux tiers du zinc américain est importé.

Applications

Les rôles principaux du zinc incluent la galvanisation de l'acier pour prévenir la corrosion, le moulage sous pression de pièces de précision, et l'utilisation comme anode dans les piles et autres dispositifs électriques. Il est aussi allié au cuivre pour former du laiton.

Dans la galvanisation, un mince revêtement de zinc est appliqué sur les surfaces d'acier, soit par immersion à chaud dans du zinc fondu, soit par dépôt électrolytique. La plus grande propension du zinc à s'oxyder protège l'acier sous-jacent par corrosion sacrificielle, maintenant l'intégrité structurelle dans les environnements difficiles.

Les alliages de moulage sous pression consistent typiquement en 96 % de zinc et 4 % d'aluminium. Le processus utilise un moule en acier en deux parties et une presse pour injecter le métal fondu dans une cavité qui reflète la forme désirée. Après refroidissement, le moule s'ouvre pour révéler des pièces quasi parfaites nécessitant un usinage minimal. Les composants moulés sous pression courants incluent des pièces de copieurs, raccords d'avions, instruments médicaux, et accessoires automobiles comme emblèmes, poignées de porte et supports. Ces pièces sont souvent chromées pour la durabilité.

Une application distinctive du zinc est l'anode sacrificielle, qui protège les moteurs marins en aluminium de la corrosion. Des anodes de zinc presque pur sont boulonnées à la coque ; quand l'eau de mer induit un courant électrique, le zinc s'oxyde préférentiellement, sauvegardant la structure en aluminium. Les anodes doivent être remplacées une fois entièrement consommées.

Dans les piles, le zinc participe à une réaction chimique qui génère une tension entre deux bornes. Des dispositifs comme les lampes de poche et radios portables exploitent cette énergie jusqu'à l'épuisement des réactifs.

Au-delà des métaux, les composés de zinc sont employés dans les produits pharmaceutiques, le caoutchouc, les cosmétiques, la peinture, les émaux céramiques, les tubes cathodiques, les flux de brasage, et les préservatifs pour bois.

Processus de fabrication

Extraction minière

• Les minerais de Zn — principalement sulfure de zinc (sphalérite), carbonate de zinc (smithsonite), silicate de zinc (calamine), et franklinite porteur de manganèse/fer — sont extraits sous terre par forage, blastage et transport. Dans de nombreux cas, le zinc est extrait aux côtés de l'argent ou du plomb. Le traitement nécessite huile, acide sulfurique, électricité, coke ou gaz naturel pour fournir la chaleur du grillage.

Flottation par mousse

• Le minerai broyé est mélangé à l'eau, huile de pin, et réactifs de flottation, puis agité. Des chimiques sélectifs de surface enrobent les particules de zinc, leur permettant de s'attacher aux bulles d'air et de remonter à la surface. La mousse est écrémée, laissant un concentré riche en zinc au sommet et le matériel stérile au fond.

Filtrage

• La mousse est déshydratée, et la pâte restante est mélangée à la chaux avant d'être grillée dans un four à 1 371 °C. Cela convertit le matériel en fritté d'oxyde de zinc.

Grillage

• Un haut fourneau fond le minerai oxydé, atteignant jusqu'à 1 204 °C. Pour atténuer la ré-oxydation, le zinc fondu est aspergé de plomb chaud ; le zinc se dissout, est transféré dans une chambre plus froide (440 °C), et se sépare ensuite du plomb. Le plomb est recyclé dans le fourneau.

Afflage

• En laissant le zinc fondu reposer sans perturbation pendant plusieurs heures, le fer et autres impuretés se déposent au fond. Le zinc presque pur est alors prélevé en surface et coulé en lingots.

Alliage

• L'alliage améliore les performances du zinc. Typiquement, 4 % d'aluminium est ajouté pour le moulage sous pression, avec des ajouts mineurs de titane, cuivre ou magnésium. L'alliage fondu est coulé en grosses masses ou petits moules à lingots (20 kg) pour traitement ultérieur.

Contrôle qualité

Avenir

Si le rôle du zinc dans le moulage sous pression automobile a décliné au profit du magnésium, de l'aluminium et des composites, son usage pour la galvanisation des panneaux de carrosserie est en hausse. Les revêtements de zinc permettent aux constructeurs d'offrir des garanties antirouille étendues, reflétant la pertinence continue du métal dans la protection contre la corrosion.