Notre histoire métallurgique ressemble un peu à un jeu de pierre, papier, ciseaux, mais sans le papier ; nous recherchons toujours quelque chose d'assez dur pour couper quel que soit le métal le plus dur actuel. Nous avons commencé avec le cuivre, le premier métal à être extrait et raffiné. Mais ensuite, nous avions besoin de quelque chose pour couper le cuivre, alors nous nous sommes retrouvés avec des alliages comme le bronze, qui exigeaient des métaux plus durs comme le fer, et finalement cette course aux armements de coupe nous a conduit à l'acier, le roi des métaux.
Mais même un roi a besoin de quelqu'un pour le contrôler, et bien que l'acier puisse être utilisé pour fabriquer des outils suffisamment durs pour se couper tout seul, il existe quelque chose d'encore mieux pour ce travail : le tungstène, ou plus précisément le carbure de tungstène. Nous avons produit près de 120 000 tonnes de tungstène en 2022, dont une grande partie était destinée à la fabrication d’outillages en carbure de tungstène. Le tungstène a le point de fusion le plus élevé connu, 3 422 °C, et est un métal extrêmement dense, dur et résistant. Ses propriétés en font un métal industriel incontournable, et il fait partie de notre série « Mines et raffinage ».
Construisez une montagne, fabriquez du tungstène
Le tungstène est un métal rare qui ne représente qu'une fraction de pour cent de la croûte terrestre, soit environ 1,25 partie par million. On ne l'a jamais trouvé sous sa forme élémentaire dans la nature ; au lieu de cela, il apparaît sous la forme de plusieurs minerais contenant des minéraux. Les propriétés physiques et chimiques du tungstène, qui en font un métal si utile, garantissent également que la formation de ces minerais est limitée aux géologies où une chaleur et une pression énormes sont exercées, par exemple là où des sections de la croûte continentale entrent en collision pour former des chaînes de montagnes. Ces ceintures orogéniques, situées principalement autour du bassin Pacifique mais également à travers la ceinture alpine-himalayenne qui s'étend du sud de l'Espagne à l'Indonésie, constituent la principale source de minerai de tungstène.
Les deux principaux minerais de tungstène sont la scheelite, qui est du tungstate de calcium (CaWO4), et la wolframite, qui est une combinaison de tungstate de fer (FeWO4) et le tungstate de manganèse (MnWO4). Environ 70 % des réserves mondiales de tungstène, soit 3,2 millions de tonnes, sont enfermées dans la wolframite, que l'on trouve souvent dans les formations granitiques et qui est souvent associée au quartz. La scheelite se trouve également souvent dans les veines de quartz et a tendance à être trouvée avec des quantités commercialement importantes d'étain, ainsi que parfois avec de l'or. Les deux minéraux de tungstate ont également tendance à se trouver à proximité des minéraux de molybdénate, ce qui fait du molybdène un autre sous-produit précieux de l'extraction du tungstène.
La scheelite, ou plutôt les cristaux de tungstate de calcium contenus dans le minerai, ont des propriétés intéressantes qui les rendent précieux en plus d'être une source de tungstène. Le tungstate de calcium est un scintillateur, ce qui signifie qu'il émet une fluorescence à une longueur d'onde spécifique lorsqu'il est excité par un rayonnement ionisant, tel que les rayons X. Cela a rendu le matériau très précieux pour fabriquer des écrans intensificateurs, qui étaient utilisés avec la radiographie traditionnelle sur film pour réduire la dose de rayonnement reçue par le patient. De gros cristaux de tungstate de calcium, qui peuvent être produits synthétiquement à l'aide du procédé Czochralski, ont également été utilisés comme scintillateurs dans les procédures de médecine nucléaire.
Exploitation minière
En raison de la rareté relative des minerais de tungstène et des processus géologiques qui tendent à les séquestrer, de nombreux morts-terrains doivent être enlevés pour y accéder. Les techniques d'exploitation minière à ciel ouvert sont souvent utilisées, du moins lors de l'exploitation d'une nouvelle découverte, mais une fois que le ratio déchets/minerai payable devient trop élevé, l'exploitation souterraine devient favorisée, car elle permet aux mineurs de travailler le long des veines de minerai et d'ignorer les stériles qui les enveloppe. Étant donné que les minerais de tungstène sont associés à une géologie de formation de montagnes, de nombreuses opérations minières souterraines de tungstène exploitent en fait en haut au cœur des montagnes plutôt que vers le bas. Ce fut le cas de la mine Pine Creek, dans les montagnes de la Sierra Nevada, à l'extérieur de Bishop, en Californie, où les mineurs avaient un ascenseur de 3 000 pieds depuis l'entrée de la mine pour exploiter les veines de scheelite. Cette mine a produit la majeure partie du tungstène utilisé aux États-Unis pendant près de 60 ans avant de fermer en 2001.
Parce que la quantité de tungstène dans l’un ou l’autre minerai est si faible – une tonne de minerai de tungstène ne contient qu’environ quatre kilogrammes de scheelite ou de wolframite – les mines de tungstène doivent le concentrer considérablement avant de pouvoir le raffiner. Cette valorisation est généralement réalisée directement sur le site minier, en commençant par les étapes habituelles de concassage et de broyage. Les concasseurs à mâchoires et les broyeurs à boulets transforment le minerai en une poudre fine, qui est classée par une série de tamis pour obtenir la granulométrie correcte. Le minerai en poudre est ensuite transféré vers un digesteur, où l'hydroxyde de sodium chaud réagit avec les minéraux tungstate pour former du tungstate de sodium, le libérant de la gangue ou des stériles.
Le tungstate de sodium liquide passe ensuite à une série d’étapes de purification utilisant une combinaison de procédés hydrométallurgiques. Les étapes exactes prises dépendent de la concentration du minerai source et du tungstène, mais comprennent la filtration, l'extraction avec des solvants organiques comme le décanol ou même le kérosène, ou la précipitation avec des solutions salines telles que le chlorure de calcium. L'objectif est de former des solutions pures croissantes qui peuvent être traitées avec de l'acide chlorhydrique chaud pour former de l'acide tungstique, une forme hydratée de trioxyde de tungstène (WO3). L'acide tungstique, un composé jaune vif autrefois utilisé comme colorant pour tissus, est lavé à plusieurs reprises jusqu'à ce qu'il soit aussi pur que possible avant d'être dissous avec de l'hydroxyde d'ammonium. Cette solution est filtrée puis chauffée, chassant l'ammoniac et l'eau pour laisser derrière elle le paratungstate d'ammonium (APT), un sel de formule chimique complexe :
L'APT, un sel cristallin blanc fluide, est facile à manipuler et contient beaucoup de tungstène, soit douze atomes par molécule. L'APT est la principale matière première produite dans la plupart des mines de tungstène et est généralement expédiée vers les raffineries pour une transformation ultérieure en tungstène métallique et la fabrication de produits métalliques, tels que des fils, des tôles et des billettes, sans parler des carbures de tungstène très importants. .
La première étape pour libérer du tungstène métallique consiste à décomposer l’APT en divers oxydes de tungstène à haute température :
L'oxyde de tungstène est ensuite chauffé dans une atmosphère réductrice d'hydrogène gazeux pour former du tungstène élémentaire :
En fonction des exigences du métal fini, l'oxyde de tungstène est parfois dopé avec du silicium, de l'aluminium ou du potassium avant de subir une réduction. La réduction est réalisée dans des récipients réfractaires appelés bateaux, généralement en Monel, dans des fours tubulaires appelés fours pousseurs. Les tubes sont remplis d'hydrogène gazeux et chauffés à environ 850 °C, ce qui réduit la poudre d'oxyde pendant environ 20 minutes.
La fine poudre de tungstène métallique obtenue est lavée, séchée et tamisée avant d'être utilisée pour la production de lingots ou la consolidation. Ici, le métal en poudre est placé dans des moules à parois épaisses et placé dans une presse hydraulique, qui transforme le métal en lingot. Le lingot est alors appelé « vert » et doit être manipulé avec précaution afin qu'il ne se brise pas pendant le frittage, un processus en deux étapes au cours duquel le lingot est d'abord chauffé à 650 °C dans un four, puis jusqu'à 650 °C. 3 000 °C en y faisant passer un courant électrique dans un tube refroidi à l'eau rempli d'hydrogène. Le résultat est un lingot solide de tungstène, prêt à être transformé en produits.
Chaud et dur
Même si l’ère du tube à vide est révolue depuis longtemps et que le monde s’est largement détourné de l’éclairage à incandescence, le fil de tungstène reste un produit final important. Un seul lingot de tungstène peut être étiré pour former près de 1 300 kilomètres de fil, selon le calibre. Le processus d'étirage commence par le laminage à chaud du lingot pour lui donner une forme cylindrique et son sertissage pour réduire son diamètre. Une extrémité de la tige de tungstène est effilée en la plongeant dans du nitrate de potassium fondu, ce qui dissout suffisamment la tige pour qu'elle puisse s'insérer dans une matrice. Jusqu'à 50 passages dans des matrices de plus en plus petites, dont les plus petites sont en diamant, peuvent être nécessaires pour obtenir le fil à la taille appropriée.
Les électrodes de soudage sont une autre utilisation industrielle importante du tungstène. Le point de fusion élevé du tungstène le rend parfait pour le soudage TIG – le « T » est pour le tungstène, après tout – qui utilise un courant électrique élevé pour créer un plasma très chaud qui fait fondre le métal de base et la charge. Les électrodes de tungstène peuvent ressembler à des morceaux de fil épais, mais elles sont en réalité formées de la même manière que les lingots de tungstène. Le tungstène en poudre est mélangé à divers additifs, notamment des oxydes de terres rares comme le lanthane et le thorium, avant d'être pressé et fritté en tiges solides. Les oxydes de terres rares servent à réduire l'énergie nécessaire pour éliminer les électrons de l'électrode, ce qui facilite l'amorçage d'un arc et prolonge la durée de vie de l'électrode.
La ténacité et le point de fusion élevé du tungstène le rendent également adapté aux outils de coupe, notamment sous forme de carbure de tungstène (WC). Le carbure de tungstène est fabriqué soit en faisant réagir de la poudre de tungstène avec du graphite à haute température, soit en soufflant un mélange de monoxyde de carbone chaud et de dioxyde de carbone à travers un lit de trioxyde de tungstène. Quoi qu'il en soit, le tungstène et le carbone se lient l'un à l'autre, créant un matériau deux fois plus rigide et deux fois plus dense que l'acier, avec un point de fusion d'environ 2 800 °C. Le carbure de tungstène peut être mélangé avec divers liants et additifs et pressé dans des formes complexes qui peuvent être frittées dans des outils de coupe solides suffisamment résistants pour résister aux exigences sévères de la découpe CNC.
