Nickel

28

Ni

Nickel

Données physico-chimiques

Données atomiques

Numéro atomique	Masse atomique	Configuration électronique	Structures cristallines	Rayon métallique pour la coordinence 12
28	58,69 g.mol-1	[Ar] 3d8 4s2	cubique à faces centrées de paramètre a = 0,352 nm	124,6 pm

Données physiques

Masse volumique	Dureté	Température de Curie	Température de fusion	Température d’ébullition	Conductibilité électrique	Conductibilité thermique	Solubilité dans l’eau
8,90 g.cm-3	4	355°C	1 453°C	2 732°C	14,3.106 S.m-1	90,7 W.m-1.K-1	insoluble

Données chimiques

Électronégativité de Pauling	pKa : Ni2+aq/NiOH+aq	pKs : Ni(OH)2	pKs : NiS alpha	pKs : NiS bêta
1,91	9,86	14,7	18,5	24

Potentiels standards :

Ni2O3(s) + H2O + 2e = 2NiO(s) + 2OH–	E° = 0,42 V
NiO2(s) + 2H2O + 2e = Ni(OH)2(s) + 2OH–	E° = 0,49 V
Ni(OH)4(s) + e = Ni(OH)3(s) + OH–	E° > 0,6 V
Ni(OH)3(s) + e = Ni(OH)2(s) + OH–	E° = 0,48 V
NiO42- + 8H+ + 4e = Ni2+ + 4H2O	E° > 1,8 V
Ni(OH)3(s) + 3H+ + e = Ni2+ + 3H2O	E° = 2,08 V
Ni(OH)2(s) + 2e = Ni(s) + 2OH–	E° = -0,72 V
NiO2(s) + 4H+ + 2e = Ni2+ + 2H2O	E° = 2,0 V
Ni2+ + 2e = Ni(s)	E° = -0,25 V

Données thermodynamiques

Nickel cristallisé : Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 29,9 J.K-1mol-1 Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 26,1 J.K-1mol-1 Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 17,6 kJ.mol-1 Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 380,9 kJ.mol-1

Nickel gazeux : Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 429,9 kJ.mol-1 Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : 384,7 kJ.mol-1 Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 182,1 J.K-1mol-1 Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 23,4 J.K-1mol-1

Données industrielles

Matières premières

La teneur moyenne de l’écorce terrestre est d’environ 75 ppm.

Dans les minerais, le nickel est souvent associé au fer, au cuivre, au chrome et au cobalt. En 2018, 72 % du cobalt extrait provient de mines de cuivre, 26 % de mines de nickel et 1 % de la mine de cobalt de Bou Azzer. 6,7 % des revenus des exploitations minières de nickel proviennent du cobalt. Dans le monde, en 2011, la production de nickel donne une coproduction de 98 000 t de cobalt, 472 t de platinoïdes, 10 t de scandium.

Deux principaux types de minerais se partagent l’approvisionnement en nickel primaire : les minerais sulfurés et les minerais oxydés. En 1990, la part des minerais sulfurés était de 70 %, celle des minerais oxydés de 30 %. En 2009-2010, les parts étaient sensiblement égales. En 2019, les proportions sont inversées, 29 % pour les minerais sulfurés, 71 % pour les minerais oxydés.

Minerais sulfurés

Ils se présentent sous forme de pentlandite, (Ni,Fe)₉S₈, associée, en général, à de la pyrrhotite (Fe₇S₈), de la pyrite (FeS₂) et de la chalcopyrite (CuFeS₂). Les exploitations minières sont, en général, souterraines. Ces gisements se sont formés, sauf pour le gisement de Sudbury, au Canada, après l’intrusion d’un magma au travers de la croûte terrestre, par cristallisation fractionnée. Le gisement de Sudbury est un cas particulier car il résulte, il y a 1,85 milliard d’années, de l’impact d’une météorite de 10 à 15 km de diamètre suivi de la fusion de la croûte terrestre. Les zones exploitées sont situées sur le bord extérieur d’un anneau de 60 x 30 km. La découverte du gisement date de 1883 lors de la construction du chemin de fer du Canadien Pacifique traversant le Canada.

Les minerais ont des teneurs de 0,7 à 3 % de nickel et contiennent du cuivre (environ 1 %), des platinoïdes, du cobalt, de l’argent et de l’or, qui sont récupérés. Ils sont concentrés, après broyage, par séparation magnétique puis par flottation à des teneurs de 10 à 15 % de Ni.

Ces minerais sont exploités en Russie, au Canada, en Australie de l’Ouest, en Chine, en Afrique Australe, en Finlande.

• En Russie, la production est principalement assurée par la société Nornickel dans des complexes miniers et métallurgiques, situés dans la presqu’île de Tâimyr, en Sibérie occidentale, et dans la presqu’île de Kola, proche de la frontière norvégienne.
  • Les gisements de Ni-Cu-platinoïdes de Nornickel, dans la presqu’île de Tâimyr, sont regroupés dans la Polar division et la Medvezky Ruchey. Situés dans 2 zones avec 7 mines en exploitation, 6 souterraines et une à ciel ouvert, Norilsk au sud et Talnakh au nord, ils sont exploités entre 500 et 1500 m de profondeur. Le gisement le plus important est celui d’Oktiabrsky (zone de Talnakh) qui s’étend sur une surface de 3×1 km avec une épaisseur moyenne de 30 m. En 2019, la production a été de 18,4 millions de t de minerai possédant une teneur moyenne de 1,32 % de Ni, 2,24 % de Cu et 6,9 g/t de platinoïdes, le palladium étant plus abondant que le platine avec un rapport compris entre 3/1 et 4/1. Les taux de récupération sont de 83,1 % pour Ni, 95,2 % pour Cu et 85,2 % pour les platinoïdes lors de la concentration du minerai brut et de 94,6 % pour Ni, 94,1 % pour Cu et 95,8 % pour les platinoïdes lors des opérations métallurgiques d’obtention des produits finis. En 2019, la production a été de 356 000 t de Cu, 32,4 t de Pd et 7,8 t de Pt. Les concentrés miniers contenant le nickel sont transformés sur place en mattes qui sont traitées dans la presqu’île de Kola. Les réserves prouvées et probables sont de 673 millions de t de minerai à 0,92 % de Ni, 1,72 % de Cu, 4,19 g/t de Pd, 1,11 g/t de Pt, 0,24 g/t de Au.
  • Dans la presqu’île de Kola, la production, assurée par 4 mines, 3 souterraines et une à ciel ouvert, a été, en 2019, de 166 000 t de Ni, 87 000 t de Cu, 56,8 t de Pd et 13,7 t de Pt à partir de l’extraction de 7,9 millions de t de minerai contenant 0,55 % de Ni, 0,24 % de Cu et 0,1 g/t de platinoïdes. Les réserves prouvées et probables sont de 85 millions de t de minerai à 0,62 % de Ni, 0,30 % de Cu, 0,03 g/t de Pd, 0,02 g/t de Pt, 0,01 g/t de Au.
• Au Canada, la société Vale exploite les gisements de Sudbury (Ontario) depuis 1885, Thompson (Manitoba) depuis 1960 et Voisey’s Bay (Labrador) depuis 2005. La société Glencore exploite des mines à Sudbury (Ontario) ainsi qu’à Raglan (Québec).
  • En 2019, la production des 7 mines souterraines de Sudbury exploitées par Vale a été de 3,669 millions de t de minerai contenant 1,68 % de Ni, 2,5 % de Cu, du cobalt, des platinoïdes, de l’or, de l’argent… En 2019, les productions ont été de 50 800 t de Ni, 93 000 t de Cu, 495 t de Co, 4,6 t de Pt, 5,66 t de Pd, 2,15 t d’or. Les réserves prouvées et probables sont de 58,1 millions de t de minerai contenant 1,38 % de Ni, 1,75 % de Cu, 0,04 % de Co, 1,26 g/t de Pt, 1,52 g/t de Pd, 0,47 g/t d’or.
  • La production par Vale de la mine souterraine de Thompson a été de 859 000 t de minerai contenant 1,78 % de Ni, du cuivre et du cobalt, soit une production de 11 300 t de Ni, 1 000 t de Cu et 80 t de Co. Les réserves prouvées et probables étaient, en 2015, de 20,6 millions de t de minerai contenant 1,71 % de Ni.
  • La mine à ciel ouvert de Voisey’s Bay a débuté sa production en novembre 2005. Le gisement avait été découvert, début 1995, par la société Diamond Fields Resources Inc lors de la recherche de diamants. L’extraction est de 6 000 t/jour de minerai avec production d’un concentré de cuivre et d’un concentré mixte Ni-Cu-Co. Les concentrés ont été dans un premier temps expédiés dans les raffineries de Sudbury (Ontario) et Thompson (Manitoba), avant la construction qui a débuté en 2009, d’une raffinerie à Long Harbour, à Terre Neuve, qui a reçu les premiers concentrés en mai 2015 et qui traite totalement la production de Voisey’s Bay depuis fin 2017. Le gisement a été acquis, en août 1996, par la société Inco absorbée depuis par Vale. En 2019, la production a été de 2,116 millions de t de minerai contenant 2,21 % de Ni, 1,19 % de Cu et du cobalt soit une production de 35 400 t de Ni, 25 000 t de Cu et 1 608 t de Co. Ses réserves prouvées et probables sont de 28,9 millions de t de minerai à 2,11 % de Ni, 0,92 % de Cu, 0,13 % de Co.
  • La production des mines canadiennes de Glencore a été, en 2019, de 60 300 t de nickel, 44 200 t de cuivre, 700 t de cobalt, 15,8 t d’argent, 0,9 t d’or, 3,5 t de palladium, 1,6 t de platine, 124 kg de rhodium. Les réserves prouvées et probables de Sudbury sont de 19,53 millions de t de minerai renfermant 1,88 % de Ni, 0,96 % de Cu, 0,04 % de Co, 0,40 g/t de Pt et 0,42 g/t de Pd, celles de Raglan de 10,39 millions de t renfermant 2,81 % de Ni, 0,76 % de Cu, 0,06 % de Co, 0,82 g/t de Pt et 2,01 g/t de Pd.

Minerais oxydés

Ces minerais sont exploités à ciel ouvert et ne peuvent pas être concentrés par voie physique. Ils ne contiennent pas de cuivre ni de métaux précieux, mais renferment du cobalt et sont humides avec une teneur en eau d’environ 25 %. On distingue :

• Les minerais silicatés (saprolites) dans lesquels le nickel se substitue au magnésium de la serpentine (3MgO,2SiO₂,2H₂O). Appelés garniérite en Nouvelle-Calédonie (le plus important gisement mondial de minerais oxydés), leur teneur en Ni est de 2,3 à 3 % et le minerai contient, outre MgO et SiO₂, 10 à 30 % de fer et du cobalt. Ces minerais sont également exploités en Colombie et, à des teneurs plus faibles, en Indonésie, République Dominicaine, Philippines, Brésil… En Nouvelle Calédonie, ils sont exploités par :
  • La société Le Nickel-SLN, détenue à 56 % par le groupe Eramet, 34 % par la STCPI (Société de Participation Minière du Sud Calédonien) regroupant les 3 provinces de l’île et 10 % par Nisshin Steel (Japon, filiale de Nippon Steel), voir ci-dessous la situation française. Le minerai extrait est transformé, en Nouvelle Calédonie, en ferronickel, voir le chapitre métallurgie.
  • La Société Minière du Sud Pacifique (SMSP), détenue à 87 % par la Province Nord et 5 % par les îles Loyauté possède 51 % de 2 sociétés :
    • Nickel Mining Company (NMC), en association avec le groupe sud-coréen Posco (SMSP : 51 % – Posco : 49 %) extrait du minerai destiné à alimenter principalement l’usine pyrométallurgique de Gwangyang en Corée du Sud. La production est de 3,6 millions de t/an d’un minerai à 1,89 % de Ni, afin de produire 54 000 t/an de ferronickel.
    • La société Koniambo Nickel, en association avec le groupe Glencore (SMSP : 51 % – Glencore : 49 %) exploite le massif de Koniambo dont les réserves prouvées et probables sont de 41,8 millions de t de minerai contenant 2,19 % de Ni. Un convoyeur de 11 km achemine le minerai jusqu’à l’usine métallurgique de production de ferronickel. La production de ferronickel a débuté en 2014 avec, en 2019, une production de 23 700 t de Ni contenu dans du ferronickel. La capacité prévue est de 60 000 t/an.
• Les limonites dans lesquelles Ni se substitue au fer dans la goethite (FeOOH). Appelées latérites, en Nouvelle Calédonie, ce sont des minerais pauvres qui contiennent de 1 à 1,5 % de Ni et du fer (40 à 50 %), du cobalt (0,1 à 0,2 %), et du chrome (2 à 5 %). Ils sont également exploités en Indonésie, Philippines, Cuba et à Madagascar et sont présents en couverture de tous les gisements de minerais silicatés. Ils sont exploités, depuis 1987, par des « petits mineurs » de Nouvelle Calédonie, par Eramet, la SMSP ou par Vale à Goro. La production, destinée à être traitée par hydrométallurgie ou par pyrométallurgie pour donner du ferronickel de basse teneur, est exportée ou transformée sur place, à Goro.
  La Chine importe de tels minerais pour produire, dans des anciens hauts fourneaux ou plus récemment dans des fours électriques, du ferronickel de basse teneur, à environ 10 %, appelé « nickel pig iron (NPI) » ou « nickel basic feed ». En 2018, la production chinoise de « nickel pig iron » a été de 474 000 t en Ni contenu, celle de l’Indonésie de 259 000 t.
  • En Nouvelle Calédonie, l’usine de Goro (95 % Vale, 5 % STCPI (Société de Participation Minière du Sud Calédonien)) exploite un tel gisement. La production a débuté en 2010, avec, en 2019, une production de 2,495 millions de t de minerai renfermant 1,54 % de Ni et ayant donné 23 400 t de Ni et 1 703 t de Co. En 2014, les réserves prouvées et probables étaient de 122,3 millions de t renfermant 1,42 % de Ni et 0,11 % de Co. En septembre 2020, après l’échec d’une reprise de l’exploitation par une société australienne, Vale envisage de fermer cette activité fin 2020, si aucune solution de reprise n’est trouvée.
  • La Société Minière du Sud Pacifique (SMSP), exploite de tels minerais pour alimenter l’usine de production de ferronickel de Yangzhou Yichuan Nickel, en Chine, dans laquelle la SMSP a pris une participation de 51 %. La SMSP s’engage à fournir 600 000 t/an de minerai d’une teneur moyenne de 1,65 %, afin de produire 60 000 t/an de ferronickel à 9-13 % de Ni.
  • La société Le Nickel-SLN, a obtenu l’autorisation d’exporter 4 millions de t/an de tels minerais.
    
  • Le groupe Eramet a pris, en 2006, le contrôle de la société Weda Bay Minerals détenue à 90 % par Strand Minerals et 10 % PT Antam qui prévoit l’exploitation du gisement d’Halmahera, en Indonésie, qui possède des ressources de 633 millions de t de minerai contenant 1,48 % de Ni et 0,09 % de Co. La capacité de production prévue, pour 2020, est de 30 000 t/an de Ni contenu dans du ferronickel. En 2017, après le retrait, dans Strand Minerals de Mitsubishi et PamCo, le projet d’exploitation a été reconfiguré en se limitant à la production de ferronickel avec l’entrée au capital de Strand Minerals du groupe chinois Tsingshan premier producteur mondial d’aciers inoxydables. La participation d’Eramet étant de 43 %, celle de Tsingshan de 57 %. En octobre 2019, la production minière a débuté et celle de ferronickel est prévue en 2020. A terme la production minière pourrait atteindre 6 millions de t/an.

Productions minières

En 2019. Monde : 2,7 millions de t de Ni contenu, Union européenne (Grèce, Finlande, Espagne, hors Nouvelle Calédonie), en 2015 : 26 500 t.

en milliers de tonnes de Ni contenu

Indonésie	800		Canada	180
Philippines	420		Chine	110
Russie	270		Brésil	67
Nouvelle Calédonie	220		Cuba	51
Australie	180		Guatemala	49

Réserves mondiales : en 2019. Monde : 89 millions de t de Ni contenu.

en milliers de t de Ni contenu

Indonésie	21 000		Cuba	5 500
Australie	20 000		Philippines	4 800
Brésil	11 000		Afrique du Sud	3 700
Russie	6 900		Chine	2 800
Nouvelle Calédonie, en 2016	6 700		Canada	2 600

Pour les minerais sulfurés

Procédé pyrométallurgique puis hydrométallurgique

C’est le principal procédé utilisé pour traiter les concentrés de minerais sulfurés. Il consiste dans un traitement pyrométallurgique donnant une matte de nickel constituée principalement de sulfure de nickel suivi d’un traitement hydrométallurgique donnant du nickel pur. Un traitement par vapométallurgie peut également être employé.

Grillage partiel des concentrés vers 600-700°C, généralement en lit fluidisé : l’oxydation sélective et partielle des sulfures de fer, présents à des teneurs élevées systématiquement dans tous les minerais sulfurés, donne, en phase solide, un mélange de sulfures de nickel, cuivre, cobalt, de sulfure de fer résiduel et d’oxyde de fer. La principale réaction se produisant à ce stade est l’oxydation de la pyrrhotite selon l’équation chimique suivante :

3 Fe₇S₈ + 38 O₂ = 7 Fe₃O₄ + 24 SO₂

Le fer ayant plus d’affinité pour l’oxygène que, dans l’ordre, le cobalt, le nickel et le cuivre, les autres éléments sont protégés d’une transformation en oxydes par un apport limité en dioxygène. La réaction de grillage étant fortement exothermique, l’alimentation en concentré est contrôlée afin de maintenir une température comprise entre 600 et 700°C et, en général, un apport de combustible n’est pas nécessaire. Le produit obtenu est appelé calcine.

Fusion : dans des fours électriques à arc immergé, vers 1200°C, la calcine fond, l’oxyde de fer Fe₃O₄ est réduit en FeO par le sulfure de fer résiduel selon la réaction simplifiée suivante :

3 Fe₃O₄ + FeS = 10 FeO + SO₂

L’ajout d’un laitier siliceux provenant de l’opération suivante de conversion permet d’y dissoudre l’oxyde de fer et ainsi de l’extraire de la matte fondue sous forme de silicate de fer, en émulsionnant le mélange afin d’assurer un contact intime entre la matte et le laitier. Par ailleurs, les oxydes de nickel, cuivre et cobalt formés lors de l’opération suivante de conversion et se trouvant dans le laitier sont ainsi récupérés et repassent dans la matte selon la réaction suivante pour le nickel :

NiO + FeS = FeO + NiS

Le silicate de fer n’étant pas miscible dans la matte fondue, contrairement à l’oxyde de fer, les deux liquides se séparent par décantation en formant, après émulsion, à la surface de la matte liquide une couche liquide de laitier, sa densité étant de 2,8 à 3,8 alors que celle de la matte est de 4,8 à 5,6. La matte obtenue à ce stade à la composition moyenne suivante : 16 % de Ni, 1 % de Cu, 58 % de Fe et 25 % de S.

La fusion peut aussi être réalisée dans des fours flash-smelting dans lesquels le grillage et la fusion sont successivement opérés. La chaleur apportée par le grillage étant utilisée pour la fusion.

Conversion : à une température d’environ 1200°C, la matte liquide est oxydée par de l’air ou du dioxygène dans des convertisseurs de type Pierce-Smith. La principale réaction est l’oxydation du sulfure de fer en oxyde en fer qui en présence d’un laitier de silice se dissout dans celui-ci. La quantité de dioxygène soufflée dans la matte est limitée afin d’éviter au maximum l’oxydation des sulfures de nickel, de cuivre et de cobalt. La faible quantité d’oxydes de nickel, cuivre et cobalt formée est récupérée lors du recyclage du laitier dans l’opération précédente de fusion. La composition obtenue est la suivante : 75 % de Ni, 3 % de Cu, 1 % de Fe et 20 % de S.

Traitement hydrométallurgique de la matte de nickel : les mattes de nickel quel que soit le procédé utilisé pour les obtenir on sensiblement la même composition et leurs traitements, pour obtenir le nickel pur, sont identiques. Voir ci-dessous l’affinage hydrométallurgique des mattes lors du traitement des minerais oxydés.

Traitement vapométallurgique : un traitement de carbolylation, procédé Mond, avec du monoxyde de carbone est employé par Vale dans ses raffineries de Sudbury, au Canada, et de Clydach, au Royaume Uni, pour produire du nickel. Il consiste à réduire de l’oxyde brut de nickel par du dihydrogène puis de purifier le nickel obtenu à l’aide de monoxyde de carbone qui vers 50-60°C, ne réagit qu’avec le nickel en donnant du tétracarbonyle de nickel gazeux Ni(CO)₄. Ce dernier se décompose vers 220-250°C en donnant du nickel de grande pureté.

Procédé hydrométallurgique

Nous décrirons le procédé utilisé par Vale dans son usine de Long Harbour, à Terre Neuve, pour traiter le minerai de Voisey’s Bay. Ce procédé, en milieu acide chlorhydrique et dichlore en solution, consiste en une lixiviation à chaud, sous pression, suivie d’une série de purifications par extractions par solvants organiques et se terminant par une électrolyse d’une solution de nickel purifiée.
Les concentrés en présence de la solution acide provenant de l’électrolyse finale de production de nickel subissent un prétraitement à l’aide de dichlore provenant également de l’électrolyse finale, puis l’ensemble est introduit, avec ajout de dioxygène, dans un autoclave, sous pression, à chaud. Une première élimination des composés insolubles est réalisée par décantation. Une deuxième purification est réalisée avec l’extraction par solvant des ions Cu²⁺ qui après déextraction donnent par électrolyse du cuivre. Une troisième purification à l’aide de sulfure d’hydrogène permet d’éliminer le cadmium, ainsi qu’une grande partie du fer, par précipitation des sulfures correspondants. Cette purification est suivie par l’élimination des ions Ca²⁺, Cu²⁺ résiduels, Pb²⁺, Fe²⁺ résiduels, Mn²⁺, Zn²⁺ à l’aide d’une nouvelle extraction par solvant. Une dernière purification par extraction par solvant des ions Co²⁺, déextraction puis électrolyse donnant du cobalt, donne une solution purifiée d’ions Ni²⁺ qui par électrolyse donne du nickel. La solution, acidifiée lors de l’électrolyse, après la récupération d’environ la moitié des ions Ni²⁺ contenus, retourne en aval du procédé pour dissoudre les concentrés, ainsi que le dichlore produit lors de l’électrolyse.

D’autres procédés, comme le procédé Sherritt, ont utilisé de l’ammoniac, sous pression.

Pour les minerais oxydés

Procédé pyrométallurgique

Nous décrirons l’exemple de l’usine de Doniambo de la société Le Nickel-SLN en Nouvelle-Calédonie. Le minerai donne, dans un premier temps, du ferronickel de première fusion qui pour une grande part, après affinage, est destiné à la production d’aciers inoxydables et pour une autre part est transformé en sulfure de nickel (matte) destiné à la production de nickel. Ce dernier est obtenu, à partir des mattes, selon un procédé hydrométallurgique. Depuis le 10 août 2016 la production de matte à Doniambo est arrêtée.

Réduction : le minerai, riche en eau (25 %), est séché, puis, après ajout de 50 kg d’anthracite par t de minerai sec, calciné à 1000°C dans des fours rotatifs (95 m de long, 4 m de diamètre). Une première réduction des oxydes métalliques a ainsi lieu, à l’état solide.

Le minerai est ensuite réduit, en phase liquide, dans des fours électriques de type Demag. Le métal (ferronickel de 1^ère fusion) sur lequel surnagent des scories est coulé dans des poches de 18 t. Les scories sont granulées à l’aide d’eau de mer et utilisées pour des remblaiements.
Les fours Demag sont constitués d’une cuve de 33 m de long, 13 m de large, 5,5 m de haut. Leur puissance nominale peut atteindre 75 MW et ils utilisent 6 électrodes de 1,4 m de diamètre. Le rendement est de 97 % et la consommation électrique de 19 000 kWh/t de Ni.

Une tonne de minerai donne 110 kg de ferronickel (contenant de 24 à 29 kg de Ni).

 Affinage du ferronickel de 1^ère fusion : consiste à enlever des proportions variables de C, S et Si selon la qualité désirée de ferronickel et le fer pour l’obtention des mattes.

Production de ferronickel (contient de 24 à 26 % de Ni) : la société Eramet est le 1^er producteur mondial de ferronickel de haute teneur.

Lors de la désulfuration et le soufflage de O₂ pour maintenir le métal en fusion, une partie du silicium est oxydée. On obtient des grenailles (75 % de la production, destinées à alimenter les convertisseurs sidérurgiques) et les qualités courantes de ferronickel livrées en lingots de 15 à 25 kg.

Production de mattes (destinées à l’élaboration de Ni) :

On réalise une sulfuration et un déferrage par injection de soufre liquide. On obtient une « matte synthétique » (10 à 15 % de S) dans des convertisseurs Pierce-Smith de 60 t, puis un soufflage d’air et l’ajout de SiO₂ donne un produit intermédiaire.

Un affinage secondaire, dans des convertisseurs de 20 t, donne des mattes de « qualité industrielle » constituées de sulfure de nickel (75 % Ni-25 % S). Les mattes contiennent outre un peu de fer, du cobalt qui est récupéré lors de l’élaboration du nickel.

Exemple de l’usine de Doniambo :

• C’est une usine de la société Le Nickel-SLN, du groupe Eramet. Elle a été construite en 1910, son effectif est de 1 400 personnes.
• Elle traite le minerai calédonien à l’aide de 3 fours électriques de type Demag dont le FD10, d’une puissance de 75 MW, le plus puissant four de fusion au monde.
• La consommation de minerai brut est de 3 à 4 millions de tonnes par an.
• Les capacités de production sont de 75 000 t/an de Ni contenu dans du ferronickel. Depuis le 10 août 2016 et l’arrêt de la production de mattes toute la production est sous forme de ferronickel. Depuis de début de la production, en 1880, celle-ci a été de 1 million de t de mattes.
• La totalité des mattes était exportée vers la métropole pour être transformée à Sandouville.

Autre exemple, l’usine du Nord, à Koniambo : elle a démarré en 2014, avec une production, en 2019, de 23 700 t de nickel contenu dans du ferronickel et une capacité prévue de 60 000 t/an de nickel contenu.

Affinage des mattes par hydrométallurgie :

• Lessivage : après broyage, les mattes sont dissoutes par une solution de chlorure ferrique, en présence de Cl₂. Ni²⁺ et les ions des impuretés métalliques (Fe, Co, Cr…) passent en solution (en présence d’ions Cl^–). Le soufre éliminé lors de cette opération est récupéré.
• Purification de la solution de Ni²⁺, par extractions successives des diverses impuretés à l’aide de solvants organiques ou de résines échangeuses d’ions.
• Extraction des ions Fe³⁺ par du tributylphosphate. La solution de FeCl₃ est recyclée, l’excès commercialisé est utilisé dans le traitement de l’eau potable.
• Extraction du cobalt par du tri-iso-octylamine. Co est récupéré sous forme de chlorure de cobalt.
• Extraction des autres impuretés : Pb à l’aide d’une électrolyse sélective, les autres impuretés (Cr³⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Cu²⁺…) par résines et charbon actif.
• Électrolyse de la solution de Ni²⁺ : les anodes sont insolubles. Ni se dépose sur des cathodes constituées de feuilles minces de Ni. Ni obtenu est à plus de 99,97 %. Les cathodes sont débitées en « carrés » et livrées en fûts de 200 ou 250 kg.

Exemple de l’usine de Sandouville :

• Exploitée par le groupe Eramet. L’usine date de 1978, son effectif est de 180 personnes. Eramet est le 1^er producteur mondial de chlorure de Ni.
  
• Elle traite des mattes et produit du nickel de haute pureté, des sels de nickel et de cobalt. Depuis l’arrêt, le 10 août 2016, de la production de mattes dans l’usine de Doniambo, en Nouvelle Calédonie, l’approvisionnement est réalisé par des mattes finlandaises provenant de l’usine de Boliden à Harjavalta.
• Les capacités annuelles de production sont de 13 000 tonnes de Ni métal et 2 300 de nickel contenu dans divers sels.
• Les produits suivants sont également obtenus (en capacités annuelles de production) : Co : 400 tonnes (sous forme de chlorure de cobalt), FeCl₃ : 3 000 t, S : 4 000 t.

Procédé hydrométallurgique

Exemple de l’usine de Goro, exploitée par Vale, en Nouvelle Calédonie.

Le procédé (HPAL : High Pressure Acid Leach) consiste en une lixiviation sous pression à l’aide d’acide sulfurique suivie d’une purification par précipitation d’hydroxydes puis d’extractions par solvants et purification par résines échangeuses d’ions.

Le minerai (limonite et garniérite) est mis en suspension dans l’eau pour donner une pulpe qui est préchauffée à l’aide de vapeur d’eau puis introduite dans un autoclave (270°C) en présence d’acide sulfurique. Les parties valorisables du minerai, Ni²⁺ et Co²⁺, passent à 98 % en solution. La solution est séparée de la pulpe lixiviée par une succession de lavages et décantations.

La neutralisation de la solution acide est réalisée à l’aide de calcaire et de chaux qui forment du gypse. Lors de cette neutralisation de nombreux éléments métalliques, en particulier Fe, précipitent sous forme d’hydroxydes qui sont éliminés par décantation et filtration. Les principaux cations restant en solution sont les suivants : Ni²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺ et Ca²⁺. Une extraction par solvant permet de récupérer simultanément Ni, Co et Zn qui sont déextraits par l’acide chlorhydrique. Zn est éliminé sur résine échangeuse d’ions. Co est extrait par solvant et la solution restante de chlorure de nickel, chauffée à l’air à 800°C, donne de l’oxyde de nickel, le chlorure d’hydrogène étant recyclé pour former l’acide chlorhydrique. Après déextraction la solution de chlorure de cobalt est neutralisée avec du carbonate de sodium pour donner du carbonate de cobalt.
En 2019, la production de l’usine de Goro a été de 23 400 t de nickel contenu dans de l’hydroxyde et de l’oxyde de nickel et de 1 242 t de cobalt contenu dans son carbonate. L’oxyde peut ensuite être réduit en nickel à l’aide de dihydrogène.

Le procédé hydrométallurgique a été développé par Sherritt International pour traiter, depuis 1960, les minerais cubains dans sa raffinerie de Fort Saskatchewan, au Canada, et depuis 2014 les minerais malgaches.
Il est utilisé par Sumitomo Metal Mining Company (SMMC), pour le traitement de minerais latéritiques des Philippines, avec la société Coral Bay Nickel Corporation, proche de la mine de Rio Tuba, dans l’île de Palawan. La société détenue à 54 % par SMMC, 18 % par Sojitz, 18 % par Mitsui et 10 % par Nickel Asia Corporation, créée en 2005, possède une capacité de production de 24 000 t/an de sulfate de nickel et de cobalt avec une teneur de 57 % de Ni et 4 % de Co qui est raffiné, au Japon, à Niihama. En 2013, une nouvelle usine est entrée en production, à Taganito, au nord de l’île de Mindanao, pour traiter, en partie, le minerai de la mine proche, avec une capacité de production de 51 000 t/an de sulfate de nickel et de cobalt. La société Taganito HPAL Mining Corporation (THPAL) est détenue à 75 % par SMMC, 15 % Mitsui et 10 % Nickel Asia Corporation.
Il est également utilisé par Glencore pour traiter les minerais australiens de Murrin Murrin et par Ramu NiCo Management, détenu en partie par Metallurgical Corporation of China (MCC) pour traiter les latérites de Papouasie Nouvelle Guinée.

La société Queensland Nickel, actuellement en cours de liquidation, dans sa raffinerie de Yabulu à Townsville, en Australie, utilisait une lixiviation à l’ammoniac suivie d’extractions par solvants. Le minerai latéritique était importé de Nouvelle Calédonie et des Philippines. Les capacités de production étaient de 76 000 t/an de Ni et 3 500 t/an de Co.

Recyclage

Le recyclage fournit 50 % du Ni destiné à la production des aciers inoxydables (Ni contenu dans les aciers inoxydables est réutilisé lors du recyclage de ces aciers) et 20 % des autres utilisations. Aux États-Unis, en 2019, recyclage de 120 000 t qui représentent 47 % de la consommation. Dans l’Union européenne, le taux de recyclage est de 45 %.

Productions

En 2019, production primaire de Ni contenu dans Ni raffiné, les sels et les ferronickels. Monde : 2,334 millions de t, Union européenne (hors Nouvelle-Calédonie) : 113 900 t, en Finlande, Royaume Uni, Grèce…

en milliers de tonnes

Chine	801		Australie	107
Indonésie	370		Norvège	92
Russie	168		Nouvelle Calédonie	88
Japon	151		Finlande	62
Canada	128		Brésil	51

en milliers de t

Indonésie	1 597		Macédoine du Nord	77
Nlle Calédonie	237		Ukraine	76
Japon	190		République Dominicaine	63
Brésil	179		Guatemala	57
Colombie	139		Birmanie	40

Source : ITC

Les exportations de l’Indonésie sont destinées à 88 % pour la Chine, 6 % l’Inde, 5 % la Corée du Sud.

Principaux pays importateurs : sur un total de 2,682 millions de t.

en milliers de t

Chine	1 914		Italie	67
Corée du Sud	136		États-Unis	43
Inde	123		Espagne	41
Taipei chinois	113		Pays Bas	39
Belgique	99		Japon	28

Source : ITC

En 2019.

Production métallurgique, en Ni contenu : 94 406 t en Nouvelle Calédonie.

• Ferronickel : en Nouvelle-Calédonie, avec 70 655 t de Ni contenues dans 247 744 t de ferronickel. La production est totalement exportée.
  • par Le Nickel-SLN à Doniambo avec 47 400 t,
  • par La Société Minière du Sud Pacifique associée à Glencore à Koniambo avec 23 700 t.
• Hydroxyde de nickel : 6 483 t, par Vale, à Goro, en Nouvelle Calédonie. La production est totalement exportée.
• Oxyde de nickel : 17 268 t, par Vale, à Goro, en Nouvelle Calédonie. La production est totalement exportée.

Par ailleurs, l’usine de Sandouville (76) de Eramet produit du nickel et des sels de nickel.

Commerce extérieur : hors Nouvelle Calédonie.

• Ferronickel :
  • Exportations : 532 t à 64 % vers la Suède, 35 % l’Espagne.
  • Importations : 7 129 t à 55 % du Brésil, 23 % de Macédoine du Nord, 7 % d’Ukraine.
• Mattes de nickel :
  • Exportations : nulles.
  • Importations : 15 364 t totalement de Finlande pour être traitées à l’usine de Sandouville (76).
• Nickel brut :
  • Exportations : 4 888 t à 33 % vers l’Inde, 16 % la Chine, 13 % les Pays Bas, 12 % Hong Kong.
  • Importations : 29 605 t à 33 % de Norvège, 15 % de Russie, 11 % du Canada, 8 % du Royaume Uni.
• Sulfate de nickel :
  • Exportations : confidentielles.
  • Importations : 747 t à 29 % d’Autriche, 28 % de Belgique, 26 % d’Allemagne, 11 % du Japon.

Utilisations

Consommations

De nickel primaire en 2018. Monde : 2 328 000 t dont, en 2016, 1 063 000 t en Chine, 380 000 t dans l’Union européenne, 198 000 t aux États-Unis, 132 000 t au Japon.

Secteurs d’utilisation

En 2019, dans le monde.

Aciers inoxydables (8 à 12 % Ni)	68 %		Batteries	7 %
Alliages de Ni (25 à 100 % Ni)	10 %		Aciers alliés et fonderie (< 4 % Ni)	6 %
Galvanoplastie	7 %		Autres	2 %

Utilisations diverses

Aciers inoxydables : voir ce chapitre.

Nickelage : les pièces appelées chromées sont en fait essentiellement nickelées. Elles sont en acier recouvert par une couche de 20 à 30 micromètres de Ni sur laquelle est déposée une mince pellicule de Cr (0,2 à 0,3 micromètres) destinée uniquement à faciliter l’entretien. Les pièces « chromées » sont concurrencées par les plastiques (dans les pare-chocs) et les peintures. Les automobiles produites aux États-Unis contiennent environ 1 kg de Ni. L’industrie automobile représente de 6 à 8 % de la consommation finale de nickel dans le monde.

Le nickelage a lieu selon deux méthodes : électrolytique ou chimique.

• Nickelage par électrolyse : méthode la plus courante. La pièce à revêtir constitue la cathode, l’anode est formée de « carrés » de Ni pur placés dans des paniers en titane. La solution du bain d’électrolyse contient du sulfate et du chlorure de Ni²⁺.
• Nickelage par réduction chimique : les pièces à revêtir sont immergées dans une solution d’ions Ni²⁺ contenant un réducteur (hypophosphite de Na⁺ ou borohydrures). Exemple de composition de bain, le nickelage étant effectué à 95-98°C et à pH 4,5-5, sous agitation :

Sulfate de nickel	25 g/L		Hypophosphite de sodium	20 g/L
Acide lactique	25 g/L		Acide propionique	3 g/L

La vitesse de dépôt est de 15 micromètres par heure. L’acide lactique qui agit comme complexant peut être remplacé par l’acide glycolique, citrique ou salicylique. Il permet d’éviter la précipitation de phosphite de nickel, peu soluble. L’acide propionique (ou l’acide acétique ou NaF) augmente la vitesse de dépôt. Fe, Ni, Au, Co, Al, Pd catalysent la réduction. Par contre, dans le cas du cuivre ou de ses alliages, il est nécessaire de réaliser un contact avec un métal catalytique pour amorcer la réaction.
On obtient ainsi des dépôts très durs, d’épaisseur uniforme. Par exemple 95 000 m² de pièces en acier destinées au traitement de UF₆ dans l’usine Eurodif de Tricastin ont été revêtues selon ce procédé.

Les fils d’aluminium utilisés comme conducteurs électriques sont recouverts de nickel afin d’éviter les problèmes de contact liés à la présence de la couche d’alumine (isolante). L’épaisseur du nickel est de 1,5 micromètres, le dépôt électrolytique est effectué à la vitesse de 300 m.min^-1, pour un fil de 2 mm de diamètre.

Autres utilisations :

• Aciers : pour les aciers inoxydables, voir ce chapitre.
  • de construction : Ni augmente la résistance mécanique.
  • non fragiles à froid : 9 % de Ni.
  • Invar : à 36 % de Ni. Possède un coefficient de dilatation nul. Utilisé comme matériau d’étalons secondaires de mesure, de bilames, en horlogerie pour annuler l’influence des écarts de température, pour les « shadow-mask » des écrans de téléviseurs couleur (0,4 à 1 kg par téléviseur), pour les cuves de méthaniers (360 t/méthanier, 180 méthaniers, en 2017 dans le monde, utilisent cet alliage)…
• Autres alliages :
  • cupronickel (10 et 30 % de Ni), maillechorts (18 % Ni). Le maillechort et le monel (64 % de Ni) sont utilisés pour fabriquer des montures de lunette. Dans l’Union européenne, la libération (par ressuage) des ions Ni²⁺ doit être limitée à 0,5 µg/cm²/semaine pour les objets en contact prolongé avec la peau.
  • Alliage Ni-Cr (Ni : 60 %, Cr : 35 %, Si : 2 %, Mo : 1 %, Fe : 1 %) utilisé pour réaliser des couronnes et bridges dentaires.
  • Alliage Inconel 600 : alliage à base de Ni contenant 13 % de Cr et 6 % de Fe. Cet alliage utilisé pour certaines pièces (manchons traversant le couvercle…) des réacteurs nucléaires à eau pressurisée des centrales françaises est sensible à la corrosion sous contrainte et les pièces présentent des fissures. Il est remplacé par l’Inconel 690 à 29 % de Cr.
  • Développement de l’utilisation d’un alliage Zn-Ni (à 13 % de Ni) pour la galvanisation de tôles pour automobiles.
  • Cupronickel : pièces de 1 € et 2 €, soit 3,5 % de la consommation française de nickel.
  • Superalliages : voir ce chapitre.
• Dans les batteries :
  • Ni-Cd (voir le chapitre consacré au cadmium.
  • Nickel-hydrure métallique (NiMH)  : elles sont constituées d’une électrode négative formée par un alliage LaNi₅ ou ZrNi₂, l’électrode positive étant à base d’hydroxyde de nickel. L’électrolyte est de l’hydroxyde de potassium.
  • Lithium-ions : ce sont actuellement celles qui ont la plus grande capacité d’accumulation d’énergie par unité de masse. Elles sont en conséquence les mieux adaptées pour la mobilité électrique (appareillages portables et véhicules électriques). Le nickel utilisé est principalement sous forme de sulfate avec, en 2017, une production mondiale de 350 000 t renfermant 75 000 t de Ni dont 300 000 t utilisées pour la production de batteries (60 000 t de Ni). Parmi les batteries lithium-ions, celles contenant du nickel représentent une part de 39 %. Le nickel est employé comme cathode dans les batteries suivantes :
    • Nickel-Manganèse-Cobalt (NMC) : on distingue les batteries NMC111, NMC622, NMC811, les chiffres exprimant les rapports atomiques entre les éléments nickel, manganèse et cobalt. En remplaçant partiellement le cobalt par le nickel elles ont permis de diminuer le coût lié à celui du cobalt de ces batteries qui équipent de nombreux appareils portables à l’aide de batteries lithium-cobalt-oxyde (LCO) qui ne contiennent pas de nickel. Les cathodes NMC811 doivent équiper les futurs modèles de Tesla.
    • Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA) : la cathode contient 80 % de Ni, 15 % de Co et 5 % de Al. Construites par Panasonic elles équipent le Model S de Tesla.
• Comme catalyseur (Ni-Al) d’hydrogénation pour la fabrication de l’acide adipique. Des catalyseurs à base d’oxyde de nickel sont employés dans le reformage du gaz naturel pour donner du dihydrogène.
• Alliages (Ni-Ti) à mémoire de forme, appelés « nitinol » (voir le chapitre consacré au titane). Utilisés en orthodontie, comme endoprothèses (« stent »).
• Comme moule de fabrication de CD, DVD et disques Blu-ray. Une matrice de verre recouverte de résine photosensible est gravée par laser, puis recouverte par évaporation d’argent qui rend la surface conductrice et enfin le nickel est déposé par électrolyse. Le nickel est ensuite séparé de la matrice de verre et donne un moule permettant de fabriquer plus de 100 000 disques.

Bibliographie