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40
Zr
Zirconium
Produit minéral

Le zircon est un silicate de zirconium associé au dioxyde de titane dans ses gisements. Il est principalement utilisé dans l’industrie céramique et est à la base de l’élaboration du zirconium ainsi que des divers composés du zirconium dont son oxyde, la zircone.

DONNÉES PHYSICO-CHIMIQUES

Données atomiques

Formule Masse molaire Structure cristalline
ZrSiO4 183,30 g.mol-1 quadratique de paramètres a = 0,6607 nm et c = 0,5982 nm

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Solubilité dans l’eau
4,56 g.cm-3 7,5 2 550°C insoluble

DONNÉES INDUSTRIELLES

Matières premières

Minerais : de formule ZrSiO4, le zircon renferme du hafnium, généralement avec un rapport massique entre Zr et Hf de 50 pour 1. Le zircon peut renfermer également du thorium et de l’uranium radioactifs. Leur teneur (U + Th) dans le zircon commercialisé doit être inférieure à 500 ppm. La présence de ces éléments radioactifs permet par ailleurs de dater la formation des roches renfermant des cristaux de zircon, ceux-ci résistant bien à l’érosion.

Il se rencontre, associé au dioxyde de titane et à des oxydes de fer, dans des sables, en général, dans l’hémisphère sud.
Le zircon, ainsi que les oxydes de titane font partie de la famille des minéraux denses, ceux-ci possédant une densité supérieure à 2,87. Provenant de l’érosion de roches, ils se rassemblent souvent dans des placers, comme l’or également dense, sous forme de sables, présents en bordure de côtes (Australie, Afrique du Sud, Inde, Mozambique, Madagascar, Sénégal, Ukraine), avec une épaisseur d’une dizaine de mètres. Sous l’action du vent ces sables peuvent avoir formé des dunes, d’une centaine de mètres de hauteur, par exemple dans la province de KwaZulu-Natal, en Afrique du Sud.
L’oxyde de titane est associé aux oxydes de fer dans l’ilménite, oxyde mixte de formule (TiO2,FeO,Fe2O3) et se présente aussi sous forme de rutile (TiO2) ou de leucoxène (ilménite altérée).
Les teneurs de ces sables en minéraux denses (zircon, ilménite, rutile…) varient de 0,5 à plus de 20 % et celle des minéraux denses en zircon de 1 à 50 %. En général, le rapport massique entre le dioxyde de titane et le zircon est compris entre 4 et 5 pour 1, sauf pour la mine de Jacinth-Ambrosia, en Australie, dans laquelle les teneurs sont sensiblement égales.

Minéralurgie :
Lorsque le minerai se présente sous forme de sables, en bord de mer, l’extraction a lieu à l’aide de dragues flottantes. Dans le cas de dunes fossiles, de puissants jets d’eau permettent d’entraîner le minerai.

La première étape de traitement, après l’extraction, consiste à éliminer les impuretés organiques, les argiles, le quartz et les autres minéraux légers. Cette opération est réalisée, en voie humide, par tamisage, séparation par un hydrocyclone puis par gravité, à l’aide de séries de spirales qui permettent d’éliminer, en particulier, le quartz. Ce triage gravimétrique utilise les différences de densité entre les minéraux denses (4,5 à 5,0 pour l’ilménite, 4,2 à 4,3 pour le rutile, 4,7 pour le zircon) et les autres minéraux présents, principalement le quartz de densité 2,65.
Le produit obtenu est un concentré de minéraux denses qui contient jusqu’à 98 % de minéraux denses. Cette étape est réalisée sur le lieu d’extraction minière. Les conditions d’exploitation permettent des arrêts momentanés de la production et sa reprise rapide en fonction des besoins.

Une deuxième étape permet, à partir du concentré de minéraux denses, de séparer, à sec, les divers minéraux contenus : ilménite, rutile, leucoxène, zircon. Cette opération est effectuée à l’aide de procédés physiques utilisant les différences de propriétés magnétiques et électriques des divers minéraux. Sous champ magnétique, le rutile et le zircon qui ont une faible susceptibilité magnétique sont séparés de l’ilménite et du leucoxène, à forte susceptibilité magnétique. Ensuite, le zircon et le rutile sont séparés par voie électrostatique, le zircon n’étant pas conducteur, contrairement au rutile.

Le zircon, commercialisé a une teneur de 65 à 66,9 % exprimée en ZrO2 + HfO2, avec de 0,5 à 2 % de HfO2. La teneur théorique du zircon pur, exprimée en ZrO2, est de 67,22 % en masse.

Différentes qualités. On distingue  :

  • La qualité premium : avec une teneur minimale de 66,0 % exprimée en ZrO2 + HfO2 et de faibles teneurs en TiO2 et Fe2O3.  Elle est destinée à la production de céramiques de bonne qualité et à des utilisations en fonderie de précision.
  • La qualité standard :  avec une teneur minimale de 65,0 % exprimée en ZrO2 + HfO2 et des teneurs en impuretés variables destinée à l’impression numérique sur céramiques, à la fonderie, à la production de céramiques de moins bonne qualité, à la production de composés chimiques.
  • Les concentrés de zircon, renfermant de 25 à 50 % exprimée en ZrO2 + HfO2. Ceux-ci sont des résidus non magnétiques de concentration, de moindre valeur.

En 2017, les ventes de la société Iluka qui ont porté sur 380 000 t concernaient à 56 % la qualité premium, 32 % la qualité standard et à 12 % les concentrés de zircon.

Productions minières

En 2018. Monde : 1,500 million de t de zircon.

en milliers de t de zircon
Australie 500 États-Unis 100
Afrique du Sud 350 Mozambique 80
Chine 150 Sénégal 80
Indonésie 100 Kenya 45

Source : USGS

En 2015, les importations chinoises ont été de 1,05 million de t. En 2018, celles des États-Unis, en ZrO2 contenu, de 31 000 t pour des exportations de 80 000 t.

Aux États-Unis, la production provient de trois mines, l’une en Floride, près de Starke, exploitée par Chemours, les autres en Géorgie, à Mission et depuis 2019 dans le comté de Wayne, exploitées par Southern Ionics en partie pour Chemours. Les capacités de production, en 2016, de Southern Ionics sont de 31 700 t/an de zircon, 63 000 t/an d’ilménite, 35 900 t/an de rutile et 16 700 t/an de leucoxène.

Début 2014 a débuté la production de la mine de Tormin, en Afrique du Sud, sur la côte ouest, à 400 km au nord du Cap. Exploitée par la société australienne Mineral Commodities (MRC), en 2017, la production a été de 22 111 t de concentré de zircon et rutile renfermant 70,66 % de zircon et 17,70 % de rutile, 217 019 t de concentré d’ilménite et 435 590 t de concentré de grenats. Les réserves sont de 1,8 milliard de t de minerai renfermant 18,99 % de grenats, 6,15 % d’ilménite, 1,65 % de zircon et 0,53 % de rutile.

En 2015 a débuté l’exploitation par MZI Resources de la mine de Keysbrook, en Australie de l’Ouest à 70 km au sud de Perth. En 2017-18, la production a été de 20 621 t de zircon et 54 060 t de leucoxène. Les réserves prouvées et probables sont de 57,6+ millions de t renfermant 2,2 % de minéraux denses composés de 11,7 % de zircon et 81,6 % de leucoxène.

Voir également le chapitre dioxyde de titane.

Producteurs

En 2018, répartition de la production mondiale de zircon sur un total d’environ 1,2 million de t.

Iluka (Australie, États-Unis) 29 % Kenmare (Mozambique) 6 %
Tronox (Afrique du Sud, Australie) 17 % Cristal (Brésil, Australie) 6 %
Rio Tinto (Afrique du Sud, Madagascar) 15 % TiZir (Sénégal) 6 %

Sources : Iluka et rapports des sociétés

Les principaux producteurs de zircon sont également producteurs de minerais de dioxyde de titane : ilménite, rutile et leucoxène.

  • Iluka Resources a produit, en 2018, 348 600 t de zircon, 395 100 t d’ilménite, 163 200 t de rutile. Les exploitations minières sont situées en Australie et depuis fin 2016 en Sierra Leone. Depuis fin 2015, la production des États-Unis, en Virginie, est terminée avec, en 2018, une production résiduelle à partir des stocks accumulés de 9 300 t de zircon.
    • En Australie, les mines de Tutunup et Eneabba, dans la région de Perth, dans l’ouest ont produit 13 500 t de zircon, 64 300 t d’ilménite et 9 100 t de rutile et celles de Jacinth-Ambrosia, dans le bassin d’Eucla, dans le sud, ont produit 62 900 t de zircon, 19 900 t d’ilménite et 5 900 t de rutile. Les concentrés produits ont approvisionné les usines de Capel et de Narngulu, au sud et au nord de Perth.
    • En Sierra Leone, la société Sierra Rutile, a été acquise en décembre 2016. En 2018, la production a été de 11 000 t de zircon, 122 000 t de rutile et 54 000 t d’ilménite.
      Les réserves prouvées et probables en Australie sont de 272 millions de t de minerai renfermant 5,8 % de minéraux denses à 54 % d’ilménite, 17 % de zircon et 4 % de rutile. Les réserves prouvées et probables en Sierra Leone sont de 290 millions de t renfermant 1,4 % de rutile.
  • Tronox a produit, en 2018, 206 000 t de zircon et 78 000 t de rutile et leucoxène. La société exploite 3 mines :
    • En Australie de l’ouest, à Cooljarloo, au nord de Perth, le minerai est exploité à l’aide de 2 dragues et séparé et traité à Chalanda avec une capacité de production de 40 000 t/an de zircon, 220 000 t/an de rutile synthétique, 15 000 t/an de rutile et 20 000 t/an de leucoxène. Les réserves prouvées et probables sont de 482 millions de t renfermant 2,3 % de minéraux denses composés de 61 % d’ilménite, 7,1 % de rutile et leucoxène et 10,1 % de zircon.
    • En Afrique du Sud, avec une participation de 74 % dans la société KZN Sands, à Fairbreeze, dans le KwaZulu-Natal, le minerai étant extrait sous l’action de jets d’eau à haute pression, avec des réserves prouvées et probables de 242 millions de t contenant 5,8 % de minéraux denses composés de 61,9 % d’ilménite, 6,6  % de rutile et leucoxène et 7,7 % de zircon, puis séparé et transformé à Empangeni avec une capacité de production de 55 000 t/an de zircon, 220 000 t/an de slag, 121 000 t/an de fonte et 25 000 t/an de rutile et à Brand-se-Baai, 35 km au nord du Cap, sur le gisement de Namakwa, avec des réserves prouvées et probables de 657 millions de t renfermant 6,2 % de minéraux denses contenant 44,7 % d’ilménite, 9,2 % de rutile et leucoxène et 10,3 % de zircon, le minerai étant traité à Saldanha avec une capacité de production de 125 000 t/an de zircon, 190 000 t/an de slag, 100 000 t/an de fonte et 31 000 t/an de rutile.
    • Depuis février 2017, l’achat des activités dans les minéraux denses et le dioxyde de titane de la société d’Arabie Saoudite Cristal avec une mine au Brésil, à Paraiba, les mines de Ginkgo et Snapper, en Australie de l’Est, dans le bassin de Murray et la mine de Wonnrup en Australie de l’Ouest, est en cours ainsi que, en discussion, celui de la mine de Jazan en Arabie Saoudite.
  • Rio Tinto, produit du zircon en Afrique du Sud et à Madagascar :
    • En Afrique de Sud, la production est effectuée dans la province de KwaZulu-Natal, par la société Richard’s Bay Minerals, filiale, à 74 % de Rio Tinto, qui extrait, depuis 1977, le zircon, l’ilménite et le rutile de sables côtiers avec une capacité de production de 250 000 t/an de zircon. Les réserves sont de 405 millions de t renfermant 0,3 % de zircon et 2,4 % de TiO2.
    • A Madagascar, la production est réalisée à Fort Dauphin, au sud-est de l’île, par la société QIT Madagascar Minerals détenue à 80 % par Rio Tinto, avec une capacité de 60 000 t/an de zirsill, mélange de zircon et de sillimanite (Al2SiO5). Le sable extrait, qui contient 95 % de quartz et 5 % de minéraux denses, est dragué sur une profondeur de 20 m, au rythme de 22 millions de t/an. Les réserves sont de 1,584 milliard de t renfermant 0,2 % de zircon et 3,5 % de TiO2.
  • Kenmare, exploite la mine de Moma, sur le dépôt de Namalope, au Mozambique. En 2017, la production a été de 74 000 t de zircon, 998 200 t d’ilménite et 9 100 t de rutile, à l’aide de deux dragues. Les réserves sont de 1,742 milliard de t de sable contenant 2,8 % d’ilménite, 0,17 % de zircon et 0,061 % de rutile.
  • TiZir a d’abord été une joint-venture 50-50 entre Eramet, à travers sa filiale Eramet Titanium & Iron, et Mineral Deposit Limited pour exploiter des sables sénégalais puis le 1er juillet 2018, Eramet a pris le contrôle total de TiZir. La production a débuté au cours de l’année 2014. En 2018, la production a été de 64 300 t de zircon, 29 300 t de concentrés de zircon, 507 000 t d’ilménite et 9 600 t de rutile et leucoxène, . Le gisement, situé à 50 km au nord de Dakar, s’étend sur 100 km de côte et 4 km de largeur. Ses réserves prouvées et probables sont de 1,761 milliard de t contenant 1,4 % de minéraux valorisables à 72 % d’ilménite, 10,7 % de zircon, 3,2 % de leucoxène et 2,5 % de rutile.
  • Début 2014 a débuté la production de la mine de Kwale, au Kenya, par la société australienne Base Resources. En 2018, la production a été de 37 157 t de zircon, 1 425 t de concentrés de zircon, 464 988 t d’ilménite et 91 672 t de rutile. Les réserves prouvées et probables sont de 80 millions de t de minerai renfermant 3,1 % de minéraux denses constitués de 56 % d’ilménite, 13 % de rutile et 6 % de zircon.
  • VV Minerals, exploite des sables, dans le Golfe de Mannar, au sud de l’Inde. Les capacités de production sont de 12 000 t/an de zircon, 225 000 t/an d’ilménite, 5 000 t/an de rutile et 150 000 t/an de grenats utilisés comme abrasifs.

Réserves : en 2018. Monde : 73 millions de t de ZrO2 contenu.

en milliers de t de ZrO2 contenu
Australie 42 000 Mozambique 1 800
Afrique du Sud 14 000 États-Unis 500
Kenya 3 600 Chine 500

Source : USGS

Situation française

En 2018.
Pas de production.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 3 350 t avec comme principaux marchés à :

  • 46 % l’Italie,
  • 23 % le Royaume Uni,
  • 15 % l’Autriche,
  • 6 % les Émirats Arabes Unis.

Les importations s’élevaient à 27 113 t en provenance principalement à :

  • 43 % d’Afrique du Sud,
  • 21 % des États-Unis,
  • 13 % du Sénégal,
  • 10 % du Mozambique.

Utilisations

Consommations : en 2018, dans le monde : 1,2 million de t de zircon.

Secteurs d’utilisation du zircon : répartition, en 2017.

Céramiques 52 % Fonderie 11 %
Produits chimiques 19 % Zirconium métal 1 %
Produits réfractaires 15 %
Source : Kenmare

Le zircon, dans l’industrie céramique est utilisé à 85 % dans la fabrication de carreaux, 14 % de produits sanitaires, 1 % de vaisselle. Broyé finement entre 5 et 9 µm, il entre dans la composition des émaux, à des teneurs comprises entre 6 et 15 % en masse, où il apporte un fort pouvoir opacifiant, une bonne résistance à l’abrasion et une bonne résistance aux agents chimiques.

Le zircon est la matière première de départ pour l’élaboration du zirconium, de la zircone et des divers autres composés du zirconium. L’élaboration de la zircone représente environ la moitié de la consommation, les autres produits chimiques l’autre moitié, le principal étant l’oxychlorure ZrOCl2,8H2O, utilisé par exemple comme anti-transpirant et comme précurseur des différents composés du zirconium. En 2012, la production mondiale d’oxychlorure est estimée à 150 000 t dont 142 000 t en Chine, 3 000 t en Afrique du Sud, 2 500 t en Inde, 2 500 t en Ukraine. Les exportations chinoises sont de 22 000 t vers les États-Unis, 22 000 t vers le Japon , 10 000 t vers l’Europe.

Élaboré sous forme de briques, le zircon est employé dans des revêtements réfractaires de la sidérurgie et de l’industrie verrière. Il possède en particulier une grande résistance à la corrosion par le verre fondu.

En fonderie, le zircon, en poudre fine, est utilisé pour élaborer des moules pour le coulage de métaux fondus. Ses principales qualités dans ce domaine sont une grande stabilité thermique, un faible coefficient de dilatation thermique, une grande conductivité thermique et il n’est pas mouillé par les métaux fondus ce qui permet d’obtenir un bon état de surface des métaux moulés et un recyclage facilité pour le zircon.
Le zircon est également employé dans le moulage à la cire perdue.

Bibliographie

 

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