L’alumine (oxyde d’aluminium) est le matériau céramique oxydé le plus largement utilisé. Ses applications sont très répandues et comprennent les bougies d’allumage, les rondelles de robinet, les tuiles résistantes à l’abrasion et les outils de coupe.
De très grands tonnages sont également utilisés dans la fabrication de réfractaires monolithiques et de briques. Il est également mélangé à d’autres matériaux comme le graphite lamellaire pour d’autres applications plus difficiles sont envisagées, comme les becs verseurs et les vannes à tiroir.
Propriétés clés
Les propriétés clés des oxydes d’aluminium sont indiquées ci-dessous.
– Résistance élevée à la compression
– Dureté élevée
– Résistance à l’abrasion
– Résistance à l’attaque chimique par une large gamme de produits chimiques, même à des températures élevées
– Conductivité thermique élevée
– Résistance aux chocs thermiques
– Haut degré de réfractarité
– Haute résistance diélectrique
. diélectrique
– Haute résistivité électrique même à des températures élevées
– Transparent aux radiofréquences micro-ondes
– Faible surface de capture de la section transversale des neutrons
– Matière première facilement disponible et prix non soumis à de violentes fluctuations
Production annuelle
La production annuelle d’oxyde d’aluminium est de 45 millions de tonnes. Elle est utilisée à 90% dans la fabrication d’aluminium métal par électrolyse.
D’où vient l’alumine ?
La majeure partie de l’oxyde d’aluminium produit commercialement est obtenue par calcination de l’hydroxyde d’aluminium (fréquemment appelé trihydrate d’alumine ou ATH).
L’hydroxyde d’aluminium est pratiquement tout fabriqué par le procédé Bayer.
Ce procédé implique la digestion de la bauxite dans de la soude caustique et la précipitation subséquente de l’hydroxyde d’aluminium par l’addition de fins cristaux de germe d’hydroxyde d’aluminium.
Phases
L’oxyde d’aluminium existe sous plusieurs formes, α, χ, η, δ, κ, θ, γ, ρ ; celles-ci apparaissent lors du traitement thermique de l’hydroxyde d’aluminium ou de l’oxyhydroxyde d’aluminium. La forme la plus stable thermodynamiquement est l’oxyde d’α-aluminium.
Hydroxydes d’aluminium
L’aluminium forme une gamme d’hydroxydes ; certains d’entre eux sont des composés cristallins bien caractérisés, tandis que d’autres sont des composés amorphes mal définis. Les trihydroxydes les plus courants sont la gibbsite, la bayerite et la nordstrandite, tandis que les formes d’hydroxyde d’oxyde les plus courantes sont la boehmite et la diaspore.
Commercialement, la forme la plus importante est la gibbsite, bien que la bayerite et la boehmite soient également fabriquées à l’échelle industrielle.
L’hydroxyde d’aluminium a une large gamme d’utilisations, telles que les retardateurs de flamme dans les plastiques et le caoutchouc, les charges et les extenseurs de papier, les charges de dentifrice, les antiacides, le revêtement de titane et comme matière première pour la fabrication de produits chimiques à base d’aluminium, par ex.par exemple, le sulfate d’aluminium, les chlorures d’aluminium, le polychlorure d’aluminium, le nitrate d’aluminium.
Grades commerciaux
La fonte ou grade métallurgique est le nom donné lorsqu’elle est utilisée dans la fabrication de l’aluminium métal. Historiquement, il était fabriqué à partir d’hydroxyde d’aluminium en utilisant des fours rotatifs, mais il est maintenant généralement produit dans des calcinateurs à lit fluidisé ou à flash fluide. Dans les procédés à lit fluidisé, l’hydroxyde d’aluminium est introduit dans un courant d’air chaud à contre-courant obtenu par la combustion de fuel ou de gaz. Le premier effet est l’élimination de l’eau libre, suivie de l’élimination de l’eau chimiquement combinée ; ceci se produit sur une plage de températures comprise entre 180 et 600ºC. L’oxyde d’aluminium déshydraté se présente principalement sous la forme d’alumine activée et sa surface diminue progressivement à mesure que la température s’élève vers 1000ºC. Une calcination supplémentaire à des températures > 1000ºC le convertit en forme α plus stable. La conversion en forme α est typiquement de l’ordre de 25% et la surface spécifique est relativement élevée à >50m²/g en raison de la présence de métaux de transition.
Calcination
Si l’hydroxyde d’aluminium est chauffé à une température supérieure à 1100ºC, il passe alors par les phases de transition mentionnées ci-dessus.
Le produit final, si une température suffisamment élevée est utilisée, est l’α-alumine. Le processus de fabrication est entrepris commercialement dans de longs fours rotatifs. Des minéralisateurs sont fréquemment ajoutés pour catalyser la réaction et abaisser la température à laquelle se forme la phase α-alumine ; les sels de fluorure sont les minéralisateurs les plus couramment utilisés.
Ces produits calcinés sont utilisés dans une large gamme d’applications céramiques et réfractaires. La principale impureté présente est l’oxyde de sodium. Diverses qualités sont produites qui diffèrent par la taille des cristallites, la morphologie et les impuretés chimiques.
Les qualités calcinées sont souvent subdivisées en soude ordinaire, soude moyenne (niveau de soude 0,15-0,25% en poids) et soude faible.
Soude faible
De nombreuses applications, en particulier dans les domaines électrique/électronique, exigent qu’un faible niveau de soude soit présent dans l’oxyde d’aluminium. Une alumine à faible teneur en soude est généralement définie comme ayant une teneur en soude de <0,1% en poids. Elle peut être fabriquée par de nombreuses voies différentes, notamment le lavage à l’acide, l’addition de chlore, l’addition de bore et l’utilisation de composés adsorbant la soude.
Alumine réactive
L’alumine « réactive » est le terme normalement donné à un échantillon de pureté relativement élevée et de petite taille de cristaux (<1 μm) qui se fritte en un corps entièrement dense à des températures plus basses que les sodas à faible teneur en soude, à teneur moyenne en soude ou ordinaires. Ces poudres sont normalement fournies après un broyage intensif par billes qui brise les agglomérats produits après la calcination. Elles sont utilisées lorsqu’une solidité, une résistance à l’usure, une résistance à la température, un fini de surface ou une inertie chimique exceptionnels sont requis.
Tabulaire
L’oxyde d’aluminium tabulaire est de l’α-alumine recristallisée ou frittée, appelée ainsi parce que sa morphologie consiste en de grands cristaux de corindon de 50 à 500 μm, en forme de tablettes plates. Elle est produite en granulant, en extrudant ou en pressant de l’alumine calcinée dans des formes, puis en chauffant ces formes à une température juste en dessous de leur point de fusion, 1700-1850ºC dans des fours à puits.
Après calcination, les sphères d’alumine frittée peuvent être utilisées telles quelles pour certaines applications, par exemple les lits de catalyseurs, ou elles peuvent être concassées, tamisées et broyées pour produire une large gamme de tailles. Le matériau ayant été fritté, il présente une porosité particulièrement faible, une densité élevée, une faible perméabilité, une bonne inertie chimique, une réfractarité élevée et convient particulièrement aux applications réfractaires.
Fondue
L’alumine fondue est fabriquée dans des fours à arc électrique en faisant passer un courant entre des électrodes de carbone verticales. La chaleur générée fait fondre l’alumine. Le four est constitué d’une coque en acier refroidie à l’eau et des lots de 3 à 20 tonnes de matériaux sont fondus en même temps. L’alumine fondue a une densité élevée, une faible porosité, une faible perméabilité et une réfractarité élevée. En conséquence de ces caractéristiques, elle est utilisée dans la fabrication d’abrasifs et de réfractaires.
Haute pureté
Les alumines de haute pureté sont normalement classées comme celles ayant une pureté de 99,99% et peuvent être fabriquées par des voies partant de l’hydrate de Bayer en utilisant des activations et des lavages successifs, ou via un chlorure pour atteindre le degré de pureté nécessaire. Des puretés encore plus élevées sont obtenues par calcination du sulfate d’ammonium et d’aluminium ou à partir d’aluminium métallique. Dans le cas de la voie via le sulfate d’ammonium et d’aluminium, le degré de pureté nécessaire est obtenu par recristallisations successives. Des puretés particulièrement élevées peuvent être obtenues à partir de l’aluminium en faisant réagir le métal avec un alcool, en purifiant l’alcoolate d’aluminium par distillation, hydrolyse et calcination. Une voie mineure consiste à soumettre des pastilles d’aluminium métallique super pur sous eau distillée à une décharge d’étincelles.
Les applications comprennent la fabrication de pierres précieuses synthétiques comme les rubis et les grenats d’yttrium aluminium pour les lasers, et les saphirs pour les fenêtres d’instruments et les lasers.