Innover dans la production d'alliages : une seule étape pour passer des minerais aux métaux durables
Des scientifiques conçoivent un procédé qui fusionne l'extraction, l'alliage et le traitement des métaux en une seule étape respectueuse de l'environnement
La production de métaux est responsable de 10 % des émissions mondiales deCO2, la production de fer émettant deux tonnes deCO2 pour chaque tonne de métal produite, et la production de nickel émettant 14 tonnes deCO2 par tonne, voire plus, en fonction du minerai utilisé. Ces métaux sont à la base d'alliages à faible dilatation thermique, appelés Invar. Ils sont essentiels pour les secteurs de l'aérospatiale, du transport cryogénique, de l'énergie et des instruments de précision. Conscients du coût environnemental, des scientifiques de l'Institut Max Planck pour les matériaux durables (MPI-SusMat) ont mis au point une nouvelle méthode pour produire des alliages Invar sans émettre deCO2 et en économisant une grande quantité d'énergie, grâce à un processus en une seule étape qui intègre l'extraction du métal, l'alliage et le traitement thermomécanique dans un seul réacteur et une seule étape du processus. Leur approche abolit certaines des frontières classiques entre la métallurgie extractive et la métallurgie physique, en inspirant la conversion directe des oxydes en produits utilisables en une seule opération à l'état solide. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature.
La métallurgie en une étape permet d'économiser de l'énergie et duCO2
"Nous nous sommes posé la question suivante : pouvons-nous produire un alliage avec une combinaison microstructure-propriétés presque optimisée directement à partir de minerais ou d'oxydes sans émission deCO2 ?", explique Shaolou Wei, chargé de recherche Humboldt au MPI-SusMat et premier auteur de la publication. La production conventionnelle d'alliages est généralement un processus en trois étapes : d'abord, la réduction des minerais à leur forme métallique, puis le mélange d'éléments liquéfiés pour créer l'alliage, et enfin l'application de traitements thermomécaniques pour obtenir les propriétés souhaitées. Chacune de ces étapes consomme beaucoup d'énergie et fait appel au carbone en tant que vecteur d'énergie et agent réducteur, ce qui entraîne d'importantes émissions deCO2. "L'idée clé est de comprendre la thermodynamique et la cinétique de chaque élément et d'utiliser des oxydes ayant une réductibilité et une mélangeabilité similaires à environ 700 °C", poursuit M. Shaolou. "Cette température est bien inférieure au point de fusion en vrac, ce qui nous permet d'extraire les métaux de leur état d'oxyde et de les mélanger dans des alliages par le biais d'une seule étape de traitement à l'état solide, sans réchauffage." Contrairement aux méthodes conventionnelles où les minerais sont réduits à l'aide de carbone, ce qui produit des métaux contaminés par le carbone, la nouvelle méthode de l'équipe utilise l'hydrogène comme agent réducteur. "L'utilisation de l'hydrogène au lieu du carbone présente quatre avantages majeurs", explique le professeur Dierk Raabe, directeur général de MPI-SusMat et auteur correspondant de l'étude. "Premièrement, la réduction à base d'hydrogène ne produit que de l'eau comme sous-produit, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'émissions deCO2. Deuxièmement, elle permet d'obtenir directement des métaux purs, sans qu'il soit nécessaire d'éliminer le carbone du produit final, ce qui permet d'économiser du temps et de l'énergie. Troisièmement, nous réalisons le processus à des températures comparativement basses, à l'état solide. Quatrièmement, nous évitons les fréquents refroidissements et réchauffements caractéristiques des procédés métallurgiques conventionnels".
Les alliages Invar produits à l'aide de cette technique présentent non seulement les mêmes propriétés de faible dilatation thermique que les alliages Invar produits de manière conventionnelle, mais aussi une résistance mécanique supérieure grâce à la taille de grain affinée héritée naturellement du processus.
Passage à l'échelle industrielle
Les scientifiques de Max Planck ont démontré que la production d'alliages Invar par un procédé rapide, sans carbone et économe en énergie est non seulement possible, mais aussi très prometteuse. Cependant, la mise à l'échelle de cette méthode pour répondre à la demande industrielle présente trois défis majeurs :
Premièrement, alors que les chercheurs ont utilisé des oxydes purs pour une étude de validation du concept, les applications industrielles impliqueraient probablement des oxydes conventionnels chargés d'impuretés. Il est donc nécessaire d'adapter le processus pour traiter des matériaux moins raffinés tout en maintenant la qualité de l'alliage. Deuxièmement, l'utilisation d'hydrogène pur dans le processus de réduction, bien qu'efficace, est coûteuse pour les opérations à grande échelle. L'équipe mène actuellement des expériences avec des concentrations d'hydrogène plus faibles à des températures élevées afin de trouver un équilibre optimal entre l'utilisation de l'hydrogène et les coûts énergétiques, ce qui rendra le procédé plus économiquement viable pour l'industrie. Troisièmement, alors que la méthode actuelle utilise le frittage sans pression, la production de matériaux en vrac finement broyés à l'échelle industrielle nécessiterait probablement l'ajout d'étapes de pressage. L'intégration de la déformation mécanique dans le même processus pourrait encore améliorer l'intégrité structurelle du matériau tout en rationalisant la production.
La polyvalence de ce procédé en une seule étape ouvre de nouvelles perspectives. Puisque le fer, le nickel, le cuivre et le cobalt peuvent tous être traités de cette manière, les alliages à haute entropie pourraient être la prochaine cible. Ces alliages, connus pour leur capacité à conserver des propriétés uniques dans une large gamme de compositions, offrent la possibilité de développer de nouveaux matériaux, tels que des alliages magnétiques doux, idéaux pour les applications de haute technologie. Une autre voie prometteuse pourrait être l'utilisation de déchets métallurgiques au lieu d'oxydes purs. En éliminant les impuretés des déchets, cette approche pourrait transformer les sous-produits industriels en matières premières précieuses, améliorant ainsi la durabilité de la production de métaux.
En éliminant le besoin de températures élevées et de combustibles fossiles, ce processus en une étape basé sur l'hydrogène pourrait réduire considérablement l'empreinte environnementale de la production d'alliages, ouvrant la voie à un avenir plus vert et plus durable dans le domaine de la métallurgie.
La recherche a été financée par une bourse accordée à Shaolou Wei par la Fondation Alexander von Humboldt et par une bourse européenne de recherche avancée de Dierk Raabe.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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