Métallurgie du zinc

Le zinc est difficile à produire parce qu'il se change en vapeur à la chaleur qu'il faut pour le libérer de son minerai, puis brûle de nouveau en oxyde à l'air. Le zinc métal a d'abord été obtenu par distillation dans des vases d'argile clos. Zawar, au Rajasthan, distillait le zinc à l'échelle industrielle dès le haut Moyen Âge, la Chine a suivi sous les Ming, et l'Europe au XVIIIe siècle.

Ce que c’est

Le zinc est un métal gris bleuté qu’on trouve presque toujours combiné à d’autres éléments dans ses minerais ; le zinc natif, le métal libre, est un minéral très rare. En Europe, ses minerais ont longtemps porté un seul nom, la calamine, qui réunissait deux minéraux de zinc, la smithsonite et l’hémimorphite, présents dans la partie haute et altérée des gisements. Plus bas, le minerai habituel est la blende, ou sphalérite, un sulfure de zinc souvent mêlé aux minerais de plomb. Produire le zinc, c’est le séparer de l’oxygène ou du soufre auxquels il est lié, comme pour le cuivre ou le plomb, mais le zinc ne se comporte pas de la même façon dans le feu.

Un seau galvanisé : le motif cristallin de sa surface est la couche de zinc qui empêche l’acier de rouiller.

Aujourd’hui, le zinc sert surtout à la galvanisation, une mince couche qui protège l’acier de la rouille. Il entre aussi dans des pièces moulées sous pression, dans le laiton, son alliage avec le cuivre, et dans des produits chimiques. On a fabriqué du laiton pendant des siècles avant de savoir produire le zinc métal, car le zinc du minerai pouvait passer directement dans le cuivre sans jamais apparaître seul. Le zinc métal est venu plus tard, et il a demandé un autre genre de four.

Ce travail est dangereux. Les fumées d’oxyde de zinc que dégage le zinc chaud provoquent la fièvre des fondeurs, avec frissons, fièvre, toux et oppression dans la poitrine. Les minerais de zinc contiennent souvent du cadmium et du plomb, et le grillage des minerais sulfurés dégage du dioxyde de soufre. La métallurgie du zinc a toujours été une industrie, sans version réduite qu’on puisse faire fonctionner sans danger.

Comment ça marche

Le zinc a un point d’ébullition bas. La chaleur qu’il faut pour arracher l’oxygène à son minerai le dépasse déjà, si bien que le zinc se libère en vapeur. Dans un four ouvert, cette vapeur monte avec les gaz chauds, rencontre l’air et brûle de nouveau en oxyde de zinc, une poudre blanche, et l’on ne recueille presque rien. Le zinc métal ne peut donc s’obtenir qu’en vase clos, où la vapeur ne rencontre pas l’air et redevient du métal dans une partie plus froide.

Une cornue et son condenseur du type de Zawar, tels qu’on les a fouillés.

À Zawar, dans les monts Aravalli au Rajasthan, les fours contenaient des rangées de cornues d’argile allongées posées tête en bas, leur col traversant une sole percée pour déboucher dans une chambre plus froide en dessous, avec un condenseur d’argile sous chaque col. Les fondeurs chinois employèrent plus tard des cornues debout, avec une zone de condensation plus froide au sommet.

La distillation en vases clos est restée pendant des siècles la manière de produire le zinc, en Inde, en Chine puis en Europe. Au XXe siècle, la plupart des usines sont passées à l’électrolyse, où un courant électrique dépose le zinc métal à partir d’une solution préparée avec le minerai. Le zinc n’a plus à passer par l’état de vapeur, et cette voie fournit aujourd’hui l’essentiel du zinc mondial, mais les gaz et les résidus du procédé doivent toujours être captés et traités.

Histoire et évolution

Le laiton est plus ancien que le zinc métal : la manière de le fabriquer en creusets clos, sans isoler le zinc, a été mise au point au Proche-Orient au Ier millénaire av. J.-C. La plus ancienne production connue de zinc métal à grande échelle vient de l’Inde. Kharakwal et Gurjar soutiennent que du zinc pur était déjà fabriqué dans la seconde moitié du Ier millénaire av. J.-C., et que la production commerciale a commencé au début du Moyen Âge. Craddock et ses collègues placent le début de la distillation industrielle à Zawar il y a environ mille ans, et la Historical Metallurgy Society au XIIe siècle. Les mines et les fours de Zawar ont ensuite fonctionné pendant des siècles, et les fouilles y ont mis au jour les fours et leurs cornues.

La Chine s’est mise à produire du zinc au milieu de la dynastie Ming, aux XVe et XVIe siècles, avec sa propre méthode de cornues debout. Des ateliers fouillés le long du cours supérieur et moyen du Yangzi datent de cette période, et un traité des métiers de l’époque Ming, le Tiangong Kaiwu, décrit et illustre la fonte du zinc. Le zinc chinois allait surtout au laiton, y compris celui des monnaies de cuivre allié de l’empire.

Des lingots de zinc chinois retirés d’une épave : le zinc d’Asie gagnait l’Inde et l’Europe par la mer.

À partir du XVIe siècle, de petites quantités de zinc d’Asie parvinrent en Europe. Le zinc chinois, transporté par les Compagnies néerlandaise et anglaise des Indes orientales, domina ensuite le marché mondial jusqu’au XIXe siècle. En 1738, William Champion, de Bristol, fit breveter un moyen de produire le zinc à partir de la calamine à grande échelle, par distillation en cornues closes. Il s’installa plus tard à Warmley, à l’est de Bristol, où il bâtit une usine qui fondait le cuivre et le zinc et fabriquait sur un même site le laiton et les objets finis.

Pendant la Première Guerre mondiale, l’Anaconda Copper Mining Company commença à raffiner le zinc par électrolyse dans le Montana, vers 1915–1916, grâce à l’électricité des barrages hydroélectriques de la région, pour traiter des minerais complexes difficiles à fondre, puis transféra bientôt sa principale usine de zinc à Great Falls. L’électrolyse gagna la plupart des usines au cours du XXe siècle, et avec elle l’emploi du zinc pour galvaniser l’acier, pour les pièces moulées sous pression et pour les électrodes de nombreuses piles.