Le magnésium métal est le métal structurel le plus léger couramment utilisé dans l’industrie et le huitième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Sa combinaison de faible densité, d'un rapport résistance/poids favorable, d'une bonne conduction thermique et électrique et d'une résistance utile aux attaques de l'eau salée explique pourquoi la demande ne cesse de croître dans les applications de transport, aérospatiales, médicales et électroniques. La question commerciale n’est généralement pas de savoir si le magnésium peut être obtenu, mais plutôt de savoir laquelle des voies d’extraction établies correspond aux matières premières disponibles, au prix de l’énergie et aux exigences de pureté.
Matières premières et sources de magnésium
Le magnésium ne se trouve jamais à l’état métallique, donc chaque voie part d’un composé. Les trois principales matières premières sont la dolomite, la magnésite et les saumures ou l'eau de mer contenant du magnésium. La dolomite fournit du magnésium sous forme de carbonate mixte de calcium et de magnésium et constitue l'aliment classique pour la réduction silicothermique. La magnésite est calcinée en magnésie pour réduction ou chloration. Les saumures d'eau de mer et de lac salé, ainsi que les saumures de puits et de potasse, contiennent du chlorure de magnésium et constituent l'alimentation préférée lorsqu'un complexe chimique de chlore-alcali ou de sel existe déjà, car l'étape de concentration peut partager l'infrastructure avec l'usine existante.
| Matière première | Composé de roulement en magnésium | Itinéraire préféré |
|---|---|---|
| Dolomie | Carbonate de calcium et de magnésium, calciné en oxyde | Réduction thermique silicothermique |
| Magnésite | Oxyde de magnésium après calcination | Réduction thermique ou chloration |
| Eau de mer et saumure de lac salé | Chlorure de magnésium | Électrolyse au sel fondu |
Première voie : électrolyse au sel fondu
L'électrolyse du chlorure de magnésium est la voie standard pour obtenir un métal de haute pureté lorsqu'une alimentation en chlorure est disponible. Le chlorure de magnésium anhydre est fondu avec les sels porteurs et un courant électrique traverse le bain. Les ions magnésium migrent vers la cathode, où ils sont réduits en métal fondu qui flotte sur l'électrolyte en raison de sa plus faible densité, et du chlore est libéré à l'anode. Le métal est périodiquement extrait ou extrait de la cellule, et le chlore sous-produit est normalement recyclé vers la chloration ou vers le circuit de saumure. Cette méthode permet une séparation nette du métal et du gaz et convient à une production continue à grande échelle, mais elle est sensible à l'eau et aux oxydes présents dans la charge, c'est pourquoi le séchage de la charge et la purification de la matière fondue sont des points de contrôle critiques.
Deuxième voie : réduction thermique
La réduction thermique évite l’énergie électrique de l’électrolyse et utilise à la place un pouvoir réducteur chimique. Dans le procédé silicothermique, la dolomite calcinée est mélangée avec du ferrosilicium et une petite quantité de fluorite, briquetée et chargée dans des cornues. Les cornues sont chauffées à environ 1 150 à 1 200 °C et maintenues sous un vide d'environ 10 à 100 Pa, ce qui déplace la réaction vers le magnésium métallique. La vapeur de magnésium quitte la charge et se condense sous forme de cristaux dans la partie la plus froide de la cornue, et le résidu est évacué sous forme de laitier de silicate de calcium. Les variantes aluminothermiques et carbothermiques utilisent l'aluminium ou le carbone comme agent réducteur et atteignent des températures plus élevées ; ils peuvent donner un rendement très élevé mais sont plus exigeants en matière de conception du four et de contrôle de la condensation.
Qualités de raffinage, de coulée et d'approvisionnement
Le magnésium brut provenant de la cornue ou de la cellule contient du sel, de l'oxyde et des impuretés métalliques, il est donc refondu sous atmosphère protectrice et raffiné avec un fondant ou par barbotage de gaz avant la coulée du lingot. Les lingots sont coulés dans des formes standard pour la refusion, et la pureté est indiquée par rapport à la spécification nationale pour les lingots de magnésium primaire, GB/T 3499, qui définit des qualités telles que Mg9999 avec 99,99 % minimum de magnésium jusqu'à Mg9995 à 99,95 % et Mg9990 à 99,90 %. Les acheteurs choisissent la qualité en fonction des limites d'impuretés résiduelles importantes pour leur alliage ou pour un réactif de désulfuration, et les fournisseurs ajoutent généralement un certificat d'analyse de la teneur en fer, silicium, nickel, cuivre et chlorure.
Principales applications et sécurité de manipulation
Alliages d'aluminium : le magnésium est le durcisseur standard et renforce les familles 5xxx et 7xxx.
Pièces moulées sous pression et pièces structurelles : les alliages de magnésium donnent des composants légers à parois minces pour les véhicules et les appareils portables.
Aérospatiale et transports : la réduction du poids améliore la charge utile et le rendement énergétique des cellules et des structures intérieures.
Dispositifs médicaux : les alliages de magnésium sont biocompatibles et biorésorbables, ils sont donc utilisés en fixation orthopédique.
Electronique : les dissipateurs thermiques et les boîtiers légers bénéficient d’une bonne conduction thermique et électrique.
Traitement de l'acier et du fer : le magnésium est utilisé pour la désulfuration du métal chaud avant la fabrication de l'acier.
Protection cathodique : les anodes en magnésium protègent les canalisations et réservoirs enterrés par action sacrificielle.
Le magnésium est inflammable sous forme de tournures fines et de poudre, réagit avec l'eau et les acides et brûle avec une flamme très brillante, le stockage et la fusion doivent donc être conservés au sec et à l'écart des sources d'inflammation. Une bonne ventilation, des vêtements de protection, des moyens d'extinction secs et un stockage dédié avec la classification correcte d'atmosphère explosive font partie des pratiques normales de l'usine, et la manipulation du métal en fusion nécessite à tout moment une couverture de flux ou de gaz de protection.
Foire aux questions
Q : Le magnésium métallique peut-il être obtenu à partir de l’eau de mer ?
Oui. L'eau de mer et les saumures des lacs salés sont concentrées en chlorure de magnésium, l'eau est éliminée et le sel anhydre est introduit dans une cellule d'électrolyse.
Q : Quelle est la méthode de réduction thermique la plus courante ?
Le procédé silicothermique, dans lequel la dolomite calcinée est réduite par le ferrosilicium sous vide dans des cornues chauffées extérieurement, le magnésium se condensant sous forme de cristaux.
Q : Pourquoi utilise-t-on le vide en réduction ?
La réduction de la pression élimine la vapeur de magnésium de la zone de réaction, ce qui fait avancer la réduction et empêche le métal de se réoxyder.
Q : Comment la pureté est-elle spécifiée ?
Le lingot de magnésium primaire est classé selon GB/T 3499, avec des teneurs allant de Mg9999 à 99,99 % de magnésium jusqu'à la qualité standard Mg9990 à 99,90 %.
Q : Le magnésium métallique peut-il être stocké en toute sécurité ?
Les lingots solides sont stables lorsqu'ils sont conservés au sec, mais les tournures et la poudre sont inflammables et doivent être isolées de l'eau, des acides et des sources d'inflammation.
Q : À quoi sert le magnésium en dehors des alliages ?
Il est utilisé comme anode sacrificielle pour la protection cathodique, comme réactif de désulfuration dans la fabrication du fer et de l'acier et comme agent réducteur pour d'autres métaux.
