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MATIÈRES PREMIÈRES : voir le chapitre oxyde de magnésium.

La teneur en magnésium de l'écorce terrestre est d'environ 2 %.

Minerais : le magnésium est abondant et bien réparti dans le monde, il est présent dans plus de 60 minéraux, dont les plus importants sont :
- la magnésite ou giobertite : MgCO3,
- la dolomite qui renferme de la dolomie (Ca,Mg)CO3, avec une teneur de 38 % de MgO après calcination,
- la carnallite : KCl,MgCl2,6H2O, présente dans des gisements de potasse. Elle est utilisée, en particulier, comme source de magnésium dans les engrais,
- la kiesérite :
MgSO4,H2O, utilisée dans l'industrie des engrais,
- la brucite : Mg(OH)2,
- l'olivine : silicate de magnésium et de fer avec une composition comprise entre celle de la forstérite (Mg
2SiO4) et celle de la fayalite (Fe2SiO4). La qualité commercialisée comme source de magnésium renferme de 45 à 51 % de MgO et de 7 à 8 % de Fe2O3. Le principal producteur mondial est la Norvège.
Les gisements les plus exploités sont ceux de magnésite qui renferment également en faible teneur de la dolomite et de la sidérite, carbonate de fer, FeCO
3.

La teneur de l'eau de mer est en moyenne de 1,3 kg/m3 soit 0,13 %. Certaines mers ou lacs fermés en contiennent jusqu'à 35 kg/m3. Par exemple, la teneur du Grand Lac Salé dans l'Utah, aux Etats-Unis, est, en masse, de 5 % en magnésium. Le magnésium est extrait sous forme de chlorure de magnésium MgCl2 et éventuellement transformé en oxyde MgO, en d'autres composés : hydroxyde, sulfate... ou en métal. Par exemple, aux États-Unis, en 2015, le magnésium extrait de l'eau de mer ou de saumures est à l'origine de 63 % de la production de sels de magnésium du pays. En 2014, dans le monde, la part provenant de l'eau de mer et des saumures est de 10,5 %. Toute la production primaire de magnésium métal des Etats-Unis et d'Israël provient du Grand Lac Salé pour l'un et de la Mer Morte pour l'autre.

 

MÉTALLURGIE : elle est réalisée selon 2 voies (nous remercions la société Morgo Magnesium Limited pour nous avoir autorisé un accès aux schémas reproduits sur leur site Internet : voir ci-dessous) :

- Par réduction thermique de MgO selon les procédés : Pidgeon, Bolzano ou Magnetherm. Le principal procédé utilisé est le procédé Pidgeon, employé pour la plus grande partie de la production chinoise.

- Par électrolyse, en sel fondu, de MgCl2 extrait de l'eau de mer ou de saumures selon les procédés : Dow, Norsk Hydro ou IG Farben.

Réduction thermique par le silicium selon le procédé Pidgeon :

Ce procédé mis au point en 1940, au Canadian National Research Council par Lloyd Montgomery Pidgeon a été industrialisé en 1942, à Haley, en Ontario, par la société Dominium Magnesium. L'usine a été fermée par la société Timminco Metals en 2008.

La dolomite est d'abord décarbonatée dans un four rotatif entre 1000 et 1200°C. Ensuite, après broyage, ajout de ferrosilicium (à 78 % de Si) comme agent réducteur et de fluorure de calcium, pressage et briquetage, la matière première est introduite dans un four porté à 1200°C, sous vide (avec une pression d'environ 100 Pa). Le chauffage est effectué extérieurement. En Chine, le gaz de chauffage est souvent issu de cokeries.

2 MgO,CaO + SiFe = 2 Mg(g) + Ca2SiO4 + Fe

Le magnésium, à l'état de vapeur, est condensé, dans une chambre refroidie par circulation extérieure d'eau. La réduction dure environ 6 h. Le magnésium obtenu possède une pureté élevée qui peut atteindre 99,95 %. Ce procédé présente l'inconvénient d'être discontinu, de faible productivité avec une production de 40 à 70 kg par four et de consommer une importante quantité d'énergie, avec environ 300 GJ/t. Toutefois, les investissements nécessaires sont réduits.

En Chine, les coût de production à l'aide du procédé Pidgeon se répartissent entre le ferrosilicium pour 48 %, l'énergie pour 15 %, la dolomite pour 6 %.

Électrolyse de MgCl2 : le procédé Dow est le procédé le plus ancien.

Mg2+ contenu dans des solutions de chlorure de magnésium provenant soit d'eau de mer, soit de saumures, est précipité à l'aide de dolomie calcinée en Mg(OH)2 qui est récupéré par filtration. L'hydroxyde est ensuite transformé en MgCl2,6H2O par attaque chlorhydrique, puis déshydraté partiellement en MgCl2,1,5H2O ou totalement pour alimenter les cuves d'électrolyse.

L'électrolyte qui fond vers 720-780 °C a la composition suivante :

NaCl : 50-60 % CaCl2 : 15 % MgCl2 : 20-30 %

Les anodes sont en graphite. Dans le cas des cellules Dow, les anodes sont entourées par des cathodes en acier percées de déflecteurs dont la forme permet de guider le magnésium formé vers le pourtour de la cellule, à l'abri de l'oxydation. Le magnésium, liquide, surnage sur le mélange de sels fondu. La consommation énergétique est de 12 000 kWh/t, pour les cellules les plus modernes.

L'un des problèmes lié à l'obtention du magnésium par électrolyse est l'utilisation l'hexafluorure de soufre SF6, servant à protéger le magnésium fondu de l'oxydation à l'air. L'hexafluorure de soufre est un gaz à effet de serre qui possède un potentiel de réchauffement global 22 800 fois plus important que le dioxyde de carbone (voir le chapitre gaz à effet de serre). Il est remplacé par du dodécafluoro-2-méthyl-3-pentanone ou par du dioxyde de soufre.

 

PRODUCTIONS DE MAGNESIUM : en 2016, en milliers de t de magnésium primaire. Monde : 1 080.

Chine 880 Brésil 15
Etats-Unis (estimation) 70 Kazakhstan 10
Russie 60 Corée du Sud 10
Israël 25 Ukraine 8
Source : USGS et Solikamsk Magnesium Works

Il n'y a pas de production primaire dans l'Union européenne.

Il y a, en 2016, en Chine, 50 usines, avec 58 % de la production provenant de la province du Shaanxi et 26 % de celle du Shanxi. Les exportations de la Chine ont porté sur 383 000 t de magnésium destinées à 27 % aux Pays Bas, 14 % au Canada, 8 % au Japon, 5 % à la Corée du Sud, 5 % à l'Inde...

Principaux producteurs de magnésium, en 2016, en milliers de t, hors celui autoconsommé pour produire l'éponge de titane, avec un total mondial de 1 047 :

Sociétés chinoises 910 Rima Industrial (Brésil) 15
US Magnesium (Etats-Unis) 70 Esan (Turquie) 6
Dead Sea Magnesium (Israël) 25 VSMPO-Avisma (Russie) 6
Solikamsk Magnesium Works (Russie) 14 UKTMK (Kazakhstan) 1
Source : Solikamsk Magnesium Works

- China Magnesium Corporation Ltd (Chine), à Pingyao dans la province du Shanxi possède une capacité de production de 105 000 t/an à partir de dolomite à l'aide du procédé Pidgeon. En 2016, la production a été suspendue.
- Century Sunshine Group Holdings Ltd. possède une capacité de production de 25 000 t/an qui doit être portée, en 2018, à 75 000 t/an, à Baishan dans la province de Jilin et a produit, en 2016, 25 413 t de magnésium. En septembre 2017, cette activité a été vendue au Group Sense International Limited.
- QingHai Salt Lake a débuté, en 2017, la production par électrolyse, selon le procédé Norsk Hydro, à Golmud, dans la province de Qinghai avec une capacité de production de 30 000 t/an qui devrait être portée à 100 000 t/an. Le dichlore coproduit lors de l'électrolyse est destiné à la production de PVC.
- US Magnesium LLC (Utah, Etats Unis) est le seul producteur aux Etats Unis, à Rowley, dans l'Utah, avec une usine exploitant les saumures du Grand Lac Salé et produisant du magnésium par électrolyse avec une capacité de production de 76 500 t/an.
- Dead Sea Magnesium, filiale de Israel Chemicals Ltd. (Israël), avec une capacité de production de 33 000 t/an, exploite, à Sodom, l'eau de la Mer Morte.
- En Russie, les sociétés productrices Solikamsk Magnesium Works et VSMPO-Avisma sont aussi productrices de titane. En conséquence, une partie de leur production est autoconsommée par cette application. Solikamsk Magnesium Works possède une capacité de production de 18 200 t/an par électrolyse et a vendu, en 2016, 14 346 t de magnésium à partir de carnallite et VSMPO-Avisma a vendu, 6 000 t.
- "UKTMK" (Ust-Kamenogorsk Titanium-Magnesium Combine) (Kazakhstan) possède une capacité de production de 30 000 t/an et autoconsomme la plus grande partie de sa production pour la fabrication d'éponge de titane.
- Rima (Brésil) à Bocaiuva, dans l'état du Minas Gerais possède une capacité de production de 22 000 t/an.
-
Esan produit du magnésium en Turquie depuis 2016, avec une capacité de production de 15 000 t/an, à Emirdag, dans la province d'Afyonkarahisar, à l'aide du procédé Pidgeon, à partir de dolomite.
- Zaporozhye Titanium & Magnesium Combine (Ukraine) possède une capacité de production de 15 000 t/an par électrolyse en sel fondu de chlorure de magnésium et de carnallite. La quasi totalité de la production est employée à fabrication d'éponge de titane.
- Posco, a démarré, en 2012, à Gangneung, en Corée du Sud, une production de 10 000 t/an qui devrait être portée à 100 000 t/an en 2018. Le procédé utilisé est le procédé Pidgeon, à partir de dolomite.
- Mg Serbien (Serbie) : 5 000 t/an à Baljevac, selon le procédé Magnetherm à partir de dolomite.

 

RECYCLAGE : la production mondiale de magnésium secondaire est estimée à 200 000 t/an, hors recyclage du magnésium contenu dans les alliages d'aluminium directement recyclés. La production de magnésium de deuxième fusion est, en 2016, de 91 000 t aux Etats Unis, dont 64 000 t provenant de chutes neuves et 27 000 t de métal récupéré, les alliages d'aluminium comptant pour 68 % de l’approvisionnement. Toutefois, aux Etats-Unis, le chlorure de magnésium sous-produit de la métallurgie du titane et recyclé avec la production de magnésium primaire n'est pas prise en compte.
En 2012, dans l'Union européenne, le recyclage a porté sur 63 300 t dont 51 700 t de chutes neuves de fabrication et 11 700 t de vieux déchets.

 

SITUATION FRANÇAISE : en 2016.

La production de magnésium qui était réalisée par Pechiney Électrométallurgie à Marignac (31), selon le procédé Magnetherm, à partir de dolomite, avec 12 500 t/an, a cessé en juillet 2001.

Importations :
- Magnésite : 2 326 t à 63 % d'Espagne, 25 % d'Allemagne.
- Oxyde de magnésium : 18 958 t à 43 % d'Espagne, 23 % d'Israël, 16 % d'Allemagne, 6 % de Turquie.
- Chlorure de magnésium : 19 593 t à 54 % des Pays Bas, 32 % d'Allemagne.
- Sulfate de magnésium : 47 317 t à 50 % d'Allemagne, 37 % de Chine, 7 % d'Espagne.
- Magnésium : 15 667 t à 64 % de Chine, 27 % d'Allemagne, 6 % d'Israël.

Exportations :
- Magnésite : 989 t à 24 % vers l'Italie, 14 % l'Allemagne, 12 % l'Espagne, 10 % la Belgique, 8 % la Pologne.
- Oxyde de magnésium : 2 896 t à 27 % vers la Lettonie, 15 % l'Allemagne, 12 % les Pays Bas, 11 % la Pologne.
- Chlorure de magnésium : 3 711 t à 37 % vers l'Allemagne, 23 % l'Italie, 9 % le Japon.
- Sulfate de magnésium : 56 082 t à 74 % vers l'Espagne, 8 % les Pays Bas, 6 % la Belgique.
- Magnésium : confidentielles
.

 

UTILISATIONS :

Consommations : en 2016, la consommation mondiale de magnésium primaire est de 843 000 t. En milliers de t :

Chine 352 Canada, en 2014 64
Union européenne, en 2014 164 Japon 40
Etats-Unis 74 Brésil, en 2014 30
Source : Solikamsk Magnesium Works, USGS et A. Clark, World Magnesium Conference Technical, 2017

Secteurs d'utilisation : en 2016.

 
Monde
Chine
Etats-Unis
 
Monde
Chine
Etats-Unis
Alliages de Al
37 %
33 %
30 %
Désulfuration de l'acier
15 %
13 %
14 %
Alliages de Mg
32 %
30 %
18 %
Agent de réduction (Ti)
10 %
17 % 33 %
Source : USGS et Solikamsk Magnesium Works et et A. Clark, World Magnesium Conference Technical, 2017

- Alliages d'aluminium : voir le chapitre consacré à l'aluminium. Le magnésium entre dans la composition des alliages (série 5000) utilisés pour élaborer les boîtes-boisson. Aux États-Unis, une grande partie du magnésium utilisé est recyclé lors du recyclage de ces boîtes. En moyenne, les alliages d'aluminium renferment 0,8 % de magnésium, soit, en 2015, une consommation de 350 000 t de magnésium.

- Alliages de magnésium : utilisés en fonderie sous pression, à 70 % dans l'industrie automobile. Le plus utilisé G-A9Z1 (9 % Al, 1 % Zn, 0,5 % Mn). En moyenne, par véhicule il y a 2,3 kg de magnésium mais le poids peut atteindre 23 kg pour certains modèles. Utilisés également en aéronautique et, par exemple, pour fabriquer le corps de taille-crayons. Un cadre de bicyclette, en alliage de magnésium, ne pèse que 2,5 kg. En 2015, l'élaboration des alliages de magnésium a consommé 315 000 t.

- Le magnésium est employé comme agent de réduction (par magnésiothermie) dans diverses métallurgie dont principalement celle du titane, mais aussi celles du zirconium, du hafnium, du béryllium, de l'uranium (voir ces éléments). En 2015, la production de l'éponge de titane a consommé 130 000 t de magnésium mais une partie de celui-ci est recyclé par électrolyse du chlorure de magnésium formé selon le procédé Kroll et en conséquence, la consommation de magnésium primaire a été proche de 80 000 t.

- En sidérurgie, le magnésium intervient dans la désulfuration des fontes de hauts fourneaux, en concurrence avec le carbure de calcium et dans la nodulisation des fontes, le magnésium favorisant les structures à graphite nodulaire sphéroïdal. En moyenne, la consommation est de 50 g de Mg/t d'acier, soit, en 2015, une consommation de 95 000 t.

Utilisations diverses :

- Chimie : fabrication d'organomagnésiens.

- Automobiles : le magnésium est utilisé afin de réduire le poids des véhicules et ainsi diminuer leur consommation en carburant. Il y a 14 kg de magnésium utilisé pour les VW Passat, Audi A4 et A6. Le concept car de Volvo utilise environ 50 kg de magnésium dans les roues, les châssis et les moteurs.

- Les coques des sièges, les accoudoirs et les tablettes des TGV à 2 étages sont, en 2ème classe, en magnésium. Le siège en magnésium pèse 14 kg au lieu de 26 kg lorsqu'il était en aluminium.

- Le magnésium est utilisé pour fabriquer des cadres de téléphones portables.

- Débismuthage du plomb.

- Pyrotechnie : Mg ou Al-Mg sous forme de poudres très fines.

- Piles et anodes sacrificielles : l'utilisation comme anode sacrificielle représente 1 010 t, en 2014, aux Etats-Unis.

- Les rubans de magnésium utilisés en chimie sont obtenus par fraisage de lingots ou tournage de billettes (cylindres de 30 à 50 cm de diamètre et plusieurs mètres de long).

- La réaction exothermique du magnésium avec l'eau est utilisée, en particulier par l'armée américaine, pour chauffer des rations de combat. En 15 minutes, une température de 60 °C est atteinte.

 

Bibliographie :

- Morgo Magnesium Limited, PO Box 342, 7200 AH Zutphen, Pays-Bas.

- International Magnesium Association, 1000 N Rand rd, Suite 214, Wauconda, IL 60084, Etats Unis.

- MMTA, Suite 53, 3 Whitehall Court, Londres, SW1A 2EL, Royaume Uni.

- Life cycle assessment of magnesium components in vehicle construction, IMA LCA Study, DLR, mai 2013.

- N. Bell, R. Waugh, D. Parker, "Magnesium recycling in the EU", IMA juin 2017.

- P. Blazy et V. Hermant, Techniques de l'Ingénieur, 2013.

 

© Société Chimique de France.