Le magnésium est un métal léger, résistant et très réactif. On le trouve dans la nature, principalement à l’état de carbonate, tels que la magnésite et la dolomite, et de sels solubles. Son oxyde, la magnésie, est la forme la plus commune utilisée. Les usages du magnésium métal sont le moulage, les alliages base-aluminium et la désulfuration de la fonte et de l’acier. La magnésie est principalement utilisée dans les réfractaires, dans les engrais et en chimie.
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Le présent article traite de la métallurgie extractive du magnésium et de l’élaboration de son oxyde, la magnésie. Il constitue une mise à jour de l'article de P.H. Gavin publié en 1994.
Les ressources géologiques du magnésium sont immenses, qu’il s’agisse des gisements de carbonates (magnésite et dolomie) ou des sels de magnésium contenus dans l’eau de mer. Les traitements pré-métallurgiques de ces ressources naturelles ne posent pas d’obstacles techniques majeurs.
Le magnésium métal est extrait par électrolyse de l’eau de mer ou par réduction thermique des oxydes. Le magnésium brut, obtenu sous forme de cathodes électrolytiques ou sous forme de condensats métallo-thermiques, nécessite ensuite un affinage basé sur la fusion. Les usages principaux du magnésium métal sont la fabrication d’alliages légers et résistants et de sels industriels de haute pureté.
La magnésie, MgO, est obtenue à partir du grillage de la magnésite, par décomposition thermique de celle-ci. Ses trois formes industrielles sont la magnésie caustique, la magnésie grillée à mort et la magnésie fondue, qui trouvent leurs débouchés principaux dans les domaines de l’agriculture, de la pharmacie, de la chimie, du traitement de l’environnement, ainsi que dans ceux de la sidérurgie, de la cimenterie et de la verrerie, utilisateurs de réfractaires spéciaux.
La production du magnésium métal comporte des risques environnementaux (dégagement d’hydrogène et inflammation). Les risques sont en revanche très limités lors de la fabrication de la magnésie.
L’élaboration du métal ou de ses oxydes est très consommatrice d’énergie, surtout d’énergie électrique. On peut réduire ces dépenses en remplaçant les filières utilisant des matières premières par des filières recyclant des produits en fin de vie ou des chutes de fabrication possédant déjà un contenu énergétique élevé (scraps de magnésium et d’alliages spéciaux, revêtements réfractaires magnésiens).
L’ubiquité des ressources naturelles, les possibilités de recyclage et les besoins accrus en magnésium et en magnésie laissent présager un grand développement industriel durant le troisième millénaire.
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Il existe deux voies principales d’élaboration du magnésium métal :
la voie électrolytique, à partir de MgCl2 ;
la voie métallo-thermique, à partir de MgO, par réduction à l’aide de Si ou Al.
5.1 Voie électrolytique
Pour réaliser une électrolyse en sel fondu, il est nécessaire d’opérer avec MgCl2 anhydre ou partiellement anhydre. Or, outre l’élimination des impuretés en solution, une difficulté majeure consiste à déshydrater le chlorure de magnésium. En effet, 6 molécules d’eau sont liées au chlorure ; sur ces 6 molécules, 4,5 peuvent être enlevées par chauffage, mais le restant, 1,5 molécule, est une eau liée, difficilement extractible et formant des produits indésirables lors d’un chauffage poussé.
L’électrolyse est réalisée en milieu fondu, constitué par un mélange de chlorures de magnésium et d’alcalinoterreux, et de soude. Le mélange contient de 8 à 24 % de MgCl2. La température du bain est de 700 à 800 °C. La tension de décomposition de MgCl2 est de 5 à 7 V. Le magnésium se dépose sur une cathode de fer et le chlore sur une anode en graphite. Le magnésium déposé se rassemble à la surface du bain, d’où il est aspiré. Le rendement électrique, affecté par des pertes de chaleur et des réactions parasites, est compris entre 80 à 90 %. La puissance d’une cellule d’électrolyse est de 250 kVA.
Les principaux procédés utilisant l’électrolyse sont les procédés IG Farben et Norsk Hydro.
Procédé IG Farben
L’alimentation est constituée par de la dolomie calcinée et de l’eau de mer (figure 4a ). L’hydroxyde de magnésium précipité est calciné en MgO en présence de carbone et de chlore (carbochloration), pour obtenir du chlorure de magnésium anhydre, selon la réaction :
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Bibliographie & annexes
English
Métallurgie de la magnésie
