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Al
Aluminium
Produit minéral

L’alumine alpha ou corindon est la forme stable de l’alumine. Elle est obtenue par chauffage au dessus de 1200°C des alumines hydratées. Elle est soit calcinée, en poudre ou frittée, soit fondue pour une utilisation comme abrasif. Elle est employée comme produit réfractaire, agent de polissage et peut donner après dopage, des monocristaux de rubis ou saphir.

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Structure cristalline
Al2O3 101,96 g.mol-1 rhomboédrique de groupe d’espace R-3c, de paramètres a = 0,476 nm et c = 1,299 nm

C’est la forme thermodynamiquement stable de l’alumine, appelée également corindon. La structure cristalline correspond à un empilement hexagonal compact d’ions oxydes dans lequel les cations Al3+ occupent les 2/3 des sites octaédriques

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Température d’ébullition Conductibilité thermique, à 25°C Solubilité dans l’eau
3,965 g.cm-3 9 2 045°C 2 980°C 30 W.m-1.K-1 insoluble

Données thermodynamiques

Alumine alpha :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -1 675,7 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -1 583 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 50,9 J.K-1 mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 79,1 J.K-1 mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 108,8 kJ.mol-1

Données industrielles

État naturel

L’alumine naturelle existe sous forme de corindon (alumine alpha) ou d’émeri (mélange de corindon et de magnétite, Fe3O4) et est utilisée pour ses propriétés abrasives (9 dans l’échelle de Mohs). Les abrasifs actuels à base de corindon font plutôt appel à de l’alumine synthétique fondue.

Élaboration

On distingue :

  • L’alumine alpha, pure, obtenue par la transformation complète de l’hydrargillite entre 1100 et 1250°C après environ 1 h de maintien en température. Dénommée alumine calcinée elle peut être utilisée sous forme de poudre ou frittée pour obtenir un matériau compact par chauffage vers 1550°C (la température de fusion de l’alumine est de 2050°C). L’alumine frittée transparente est élaborée par frittage d’alumine ultra pure (99,99 %), sous dihydrogène. Elle peut aussi être fondue pour donner le corindon blanc.
  • Le corindon blanc, ou alumine fondue, est obtenue par fusion à 2100°C de l’alumine calcinée dans un four électrique à arc qui donne après 12 h de chauffage des blocs de 7 à 10 t de corindon blanc (à 99,5 % de Al2O3).
  • Le corindon brun est lui obtenu  à partir de bauxite calcinée fondue et réduite à l’aide de coke. Dans ce dernier cas, le ferrosilicium formé est séparé, par décantation, de l’alumine qui est sous forme de corindon brun (97 % de Al2O3, 2 % de TiO2).

Le corindon est ensuite broyé et utilisé comme abrasif libre, sur support souple (papier) ou aggloméré dans des meules. Il est également utilisé comme matériau réfractaire, dans l’industrie des céramiques émaillées (pour le corindon blanc).

Productions

D’alumine fondue.

Les capacités mondiales de production sont, en 2018, de 1,3 million de t/an :

en milliers de t de capacité annuelle
Chine 800 Brésil 50
Allemagne 80 France 40
États-Unis 60 Inde 40
Autriche 60 Japon 15
Australie 50

Source : USGS

En 2011, la production chinoise était de 695 000 t.
La production des États-Unis est, en 2018, de 10 000 t, les importations de 169 000 t, à 75 % de Chine. Saint-Gobain possède une usine de production aux États-Unis, à Huntsville, dans l’Alabama.

Le groupe Imerys est un producteur important avec 10 sites de production en France, Autriche, Allemagne, Italie, Slovénie, Brésil, États-Unis, Chine et Bahreïn. La capacité de production est de 400 000 t/an.

Situation française

Du corindon blanc est produit par le groupe NICHE (Noranda Industrial Chemicals) qui a acquis, en 2017, les activités, dans ce domaine, d’Imerys à La Bâthie (73), avec une capacité de production de 30 000 t/an. Imerys a acquis en octobre 2016 auprès d’Alteo l’usine de Beyrède (65) qui produit du corindon brun, avec une capacité de production de 30 000 t/an.

La société Baïkowski produit, à Annecy, de l’alumine frittée transparente ultra pure pour être utilisée dans les tubes des lampes à décharge à vapeur de sodium, ainsi que pour le polissage et la production de monocristaux.

Utilisations

Produits réfractaires : sous forme de briques contenant plus de 50 % d’alumine, de ciments aluminocalciques (de 70 à 80 % d’alumine) qui font prise, de fibres de silicates (de 45 à 60 % d’alumine) qui résistent à des températures de 800 à 1250°C et remplacent dans divers domaines les fibres d’amiante, de briques électrofondues en alumine-zircone-silice (50 % d’alumine) utilisées dans les fours des verreries.

Verres spéciaux : l’alumine, oxyde formateur du verre, augmente sa résistance à la dissolution par l’eau et les acides, sa dureté et sa température de fusion.
En général, l’alumine est apportée sous forme de silicoaluminates naturels. Mais lorsqu’on désire élaborer des verres de haute qualité (non colorés par les oxydes de fer) les minéraux naturels ne conviennent plus. Dans ce cas l’alumine calcinée est employée.
Principales utilisations : le verre optique, le verre pour flacons de pharmacie et ampoules injectables (qui contiennent 4 % de Al2O3), le verre de table (10 % de Al2O3).

Fabrication d’émaux.

Utilisation en polissage de l’alumine fondue. En 2018, la consommation des États-Unis de corindon est de 150 000 t.

Alumine frittée :
Utilisée comme matériau réfractaire par exemple dans des tubes de fours tubulaires de laboratoire, les nez de fusées et missiles guidés par radar car l’alumine est transparente aux ondes radar. Matériau biocompatible, elle est employée en prothèse comme tête de fémur, fixée, par exemple, à une tige d’alliage de titane elle-même fixée dans la diaphyse du fémur.
Des membranes céramiques en alumine frittée sont utilisées en microfiltration (pores de 1,4 à 0,1 micromètres).

Monocristaux d’alumine (saphirs et rubis) :

Le rubis (rouge) est du corindon dans lequel les ions Al3+ sont partiellement substitués par des ions Cr3+ (0,1 à 2 %). La couleur rouge est due à l’effet du champ cristallin, Cr3+, plus gros que Al3+, déforme le site octaédrique.
Le saphir (bleu) est du corindon dans lequel les ions Al3+ sont partiellement substitués par des ions Fe2+ et Ti4+. Un apport d’énergie faible, d’environ 2 eV, suffit pour provoquer un transfert de charge avec formation de Fe3+ et Ti3+. Le spectre d’absorption s’élargit (du jaune à l’infrarouge).
Ces monocristaux sont principalement fabriqués à l’aide du chalumeau de Verneuil. Un mélange de poudre (< 50 micromètres) de Al2O3 et Cr2O3 (pour un rubis) tombe à travers un chalumeau oxhydrique (chauffé par combustion de H2 avec O2). La poudre fond et cristallise à la surface d’un cristal placé dans l’orientation souhaitée. Lors de l’élaboration, le cristal est soumis à un mouvement de rotation et est abaissé de façon continue (1 cm/h) afin de maintenir constante la distance surface du cristal – chalumeau. Ces cristaux sont également fabriqués par fusion de zone à l’aide de la technique de la zone flottante. La production est de 400 à 500 t/an dans le monde. Ils sont utilisés en joaillerie et industriellement comme fenêtre en milieu corrosif, à haute température, en optique infrarouge, UV et laser, comme substrat électronique.

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