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Titane

Titane

Un article de Encyclo-ecolo.com.

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Le titane </H3> Le titane est produit à partir de minerais (rulites, ilémite,)qui sont concentrés par triage gravimétrique et magnétique. . Environ 5 % des minerais de titane sont destinés à l'élaboration du titane. - Ilménite, oxyde mixte de type : (TiO2,FeO,Fe2O3), teneur en TiO2 : de 30 à 70 %. C'est le principal minerai de titane. - Rutile (TiO2), teneur en TiO2 : de 93 à 96 %, minerai plus rare. - Autres : leucoxène (ilménite altérée, > 90 % de TiO2), anatase (TiO2), pérovskite (CaTiO3). Le titane a été reconnu comme un élement (symbole Ti; numéro atomique 22, et masse atomique 47,9) il y a près de 200 ans. Cependant la commercialisation du titane n'a pas commencé avant les années 1950. C'est alors que le titane a été reconnu pour son importance stratégique en tant que métal remarquablement léger, structurellement efficace, dont les alliages sont extrêmement résistants, pour les composants de moteur et de cellules critiques d'aéronefs haute performance. Le dioxyde de titane a été commercialisé pour la première fois en 1923. Sa production mondiale, relativement constante depuis l’an 2000, était d’environ 4,4 millions de tonnes en 2004. Il est utilisé principalement comme pigment ou comme charge, en raison de son pouvoir blanchissant et opacifiant dans les peintures, les plastiques, les céramiques, les papiers, les encres, les bitumes, etc. Le dioxyde de titane représente ainsi 70 % de la production mondiale de pigments minéraux synthétiques, devant les oxydes de fer et le noir de carbone. Il est également présent dans des aliments, des médicaments, des cosmétiques, les baguettes de soudage ainsi que comme catalyseur, notamment pour la purification de l’eau. La plupart des dioxydes de titane commerciaux ont subi un traitement de surface qui consiste à recouvrir chaque grain d'oxyde d'une ou plusieurs couches de composés organiques (polyols, esters, silanes, etc.) ou inorganiques (alumine, zircone, silice, etc.). La production mondiale de ce métal exotique, « de l'époque spatiale » et de ses alliages a connu depuis lors une croissance annuelle de plus de 22 millions de kilos

Sommaire

La production du titane

FABRICATION DU TITANE ULTRAPUR : selon la méthode de Van Arkel. C'est selon cette méthode qu'a été élaboré, en 1925, le premier titane suffisamment pur et ductile pour la mise en évidence de ses propriétés. Après la mise au point du procédé Kroll, en 1937, le procédé Van Arkel n'est utilisé que pour l'obtention de titane ultra pur réservé à des applications très pointues, en général militaires.

Les UTILISATIONS du titane

Propriétés : - TiO2 est le meilleur des pigments blancs. L'indice de réfraction du rutile à l = 590 nm est de : 2,70, celui de l'anatase : 2,55. Pour comparaison : diamant (2,45), ZnS (2,38), ZnO (2,2), NaCl (1,54). TiO2 présente pour le spectre de la lumière visible un coefficient de diffusion élevé sans zone d'absorption. 96 % de la lumière incidente est réfléchie.

Le dioxde de titane, TiO2, est chimiquement inerte, donc très stable et non toxique.


- Le titane est un métal léger (4,5 g/cm3). Il est utilisé allié, principal alliage TA6V (6 % Al, 4 % V), en aéronautique, dans les cellules et les réacteurs.

Les ailes d'un Boeing 747 exigent 1 725 kg d'alliage pour une masse finale de 450 kg après mise en forme. L'A380 d'Airbus contient 9 % de son poids en titane, dans le bombardier furtif, F-22, la part du titane est de 39 %. Dans les réacteurs CFM-56 de la Snecma, est présent 1,2 t de titane soit 30 % de sa masse.

Il est également utilisé dans les voitures de formule 1 : par exemple une bielle en titane voit sa masse réduite de 60 %.

Il est employé dans la fabrication de divers objets tel que : montres, montures de lunettes (250 t/an en 2010 au Japon), corps d'appareils photo, clubs de golf, cadres de bicyclettes (sous forme d'alliage TA3V (3 % Al, 2,5 % V)), structure de fauteuils roulants.

- Il est utilisé pur ou faiblement allié (0,2 % de Pd) pour son excellente résistance à la corrosion, en particulier marine. Il est également insensible à la corrosion sous tension. Il est utilisé en milieu marin : condenseurs des centrales nucléaires côtières (150 t par condenseur), coques de sous-marins (Nautile), canalisations des usines de dessalement de l'eau de mer (jusqu'à 1300 t de Ti/usine). Les sous-marins russes de la classe Alpha utilisaient chacun 453 t de titane.

- Dans le bâtiment, il est employé, par exemple au Japon, comme matériau de toiture, le bâtiment représentant 9 % des utilisations dans ce pays. La façade du musée Guggenheim, à Bilbao en Espagne, est recouverte par 31 900 m2 de plaques de titane.

- Il conserve ses propriétés mécaniques à 4 K.

- Utilisations en chimie dans les réacteurs et cuves, crépines dans l'industrie de la pâte à papier, anodes pour l'électrolyse de NaCl. C'est, avec l'aéronautique, le principal secteur d'utilisation du titane.

- Prothèses médicales : l'alliage TA6V est le plus utilisé pour cette application, mais certains travaux ayant indiqué une possible toxicité du vanadium, des alliages expérimentaux sont envisagés pour y remédier : TiAl5Fe2,5; Ti-Nb ou Ti-Ta. Le titane des prothèses peut être recouvert d'apatite phosphocalcique de composition proche de celle des os. En France, l'ancienne entreprise Bioland à Toulouse (31), filiale de Landanger-Camus, qui produisait journellement 7 kg d'hydroxyapatite calcinée et réalisait des dépôts d'environ 150 mm d'épaisseur a été rachetée par Teknimed en 2001. Les entreprises productrices de prothèse en titane sont, en France : Ets Marle, Neuro France Implants et Groupe Lépine qui est le plus gros fabricant de prothèse de hanche en Titane en France. Chaque année, dans le monde, 1 000 t de titane sont implantées dans des corps humains.

- Alliages à mémoire de forme (AMF) : l'alliage TiNi (50/50 atomique) a été le premier alliage à mémoire de forme fabriqué industriellement, en 1969, par la société américaine Raychem (n°1 mondial dans ce domaine) pour des manchons de raccordement de tuyauterie dans les avions de combat F-14. En France, production par Mémométal, Nimesis Technology, AMF et Cétim.

Utilisation de composés du titane en dehors du dioxyde :

- TiCl4 : fumigène (formation à l'air atmosphérique d'oxychlorure de Ti4+, solide), utilisé pendant la 2ème guerre mondiale dans les combats navals du Pacifique.

- Nitrure de titane : matériau dur et ayant une couleur identique à celle de l'or. Il est utilisé comme revêtement, de montres de valeur, d'outils coupants, d'ailettes de turbines… Les dépôts sont réalisés, sous vide, par dépôt physique en phase vapeur (PVD).


<H2> consommation et production mondiales du titane

Dans les minerais, le titane et le fer sont le plus souvent associés sous forme d'oxydes mixtes ce qui exclut la séparation purement physique des deux éléments. Les minerais se présentent plutôt sous forme de roches dans l'hémisphère nord et de sables dans l'hémisphère sud.

RECYCLAGE :

Il est extrêmement important du fait des difficultés de la mise en forme finale des pièces en titane qui ne peut être réalisée que par usinage. Les copeaux d'usinage, qui peuvent représenter jusqu'à 80 % de la consommation de titane, donnent des déchets qui sont soit recyclés pour produire des lingots, soit utilisés pour élaborer des ferro-alliages. Un procédé de "coulée 4C" (Cold Crucible Continuous Casting) permet le recyclage direct des copeaux. Dans un creuset sans fond, en cuivre refroidi à l'eau, le titane est fondu par induction, ce qui permet d'obtenir des lingots de 120 à 210 kg. En 2009, la France exporte une grande partie de ses déchets, elle est en tête des pays exportateurs (25 %), suivie du Royaume uni (24 %), de l'Allemagne (19 %) et du Japon (11 %) . En 2009, les Etats Unis ont consommés 25 700 t de titane recyclé.

Commerce extérieur de la France : - Importations de déchets, en 2010 : 394 t - Exportations de déchets, en 2010 : 3 610 t vers le Royaume Uni à 52 %, les Etats Unis à 39 %.

UTILISATIONS :

Secteurs d'utilisation : dans le monde, en 2008.

Energie, chimie 47 % Bâtiment 1 % Aéronautique 43 % Médical 1 % Sports et loisirs 6 % Autres dont lunettetie 2 % Source : http://aero2008.blogspot.com/2008/03/lavenir-de-lavion-par-les-avions-du_02.html


Productions :

Par produits : Les pigments blancs (près de 4 millions de t de dioxyde de titane produites annuellement dans le monde) et noirs (5,8 millions de t de noir de carbone produites annuellement dans le monde dont seulement une faible part est employée comme pigment) représentent de très loin la part la plus importante de la production. La production mondiale d'oxyde de fer est de quelques centaines milliers de t/an, celle des pigments organiques de 150 000 à 170 000 t/an dont 90 000 t/an pour les colorants azoïques et 55 000 t/an pour les phtalocyanines. En valeur, le marché mondial des pigments organiques est, en 1993, de 3,5 milliards de $ (1,25 milliard de $ en Europe en 1995), celui des pigments inorganiques, de 10,5 milliards de $ (4,1 milliards de $ en Europe en 1994) dont, en Europe :

dioxyde de titane  : 2 milliards de $ oxyde de fer  : 520 millions de $ noir de carbone  : 960 millions de $ composés du zinc  : 270 millions de $

Géographiquement : en millions de t.  : Europe de l'Ouest : 1 760 Etats-Unis : 1 640 Japon : 640


Le marché du titane en France

Minerais : pas de production française. Il existe des gisements de rutile en Bretagne.

- Importations (1990) : 198 343 t à 60 % du Canada.

- Exportations (1990) : 38 t.

Dioxyde de titane : Production : environ 225 000 t/an par 2 producteurs utilisant le procédé sulfurique.


Consommations : en 1995, en 103 t de TiO2. Monde : 3 340.

Amérique du Nord  : 36 % Asie, zone pacifique  : 23 % Europe  : 31 % Amérique latine  : 5 %


Secteurs d'utilisation : en 1995, en France, en %.

Peintures  : 56,5 % Céramiques  : 12,3 % Plastiques  : 13,3 % Ti métal  : 3,7 % Papiers  : 12,3 % Ferrotitane  : 1,7 %


Utilisations diverses : l'élaboration du métal et du ferrotitane est traitée au chapitre titane.

- TiO2 a supplanté les pigments blancs anciennement utilisés : le blanc de zinc (ZnO), le blanc de plomb ou céruse (2PbCO3,Pb(OH)2), le lithopone (ZnS,BaS). Il représente environ les 3/4 de la production mondiale de pigments minéraux synthétiques, devant les oxydes de fer (pigments rouge, noir et jaune), le noir de carbone, le jaune de chrome.

- Papiers : TiO2 est utilisé comme agent opacifiant (charge représentant de 15 à 20 % de la masse du papier) soit dans la masse soit dans le couchage du papier. Consommations dans ce secteur, aux États-Unis, en 1992 : kaolin : 5 à 7 millions de t, CaCO3 : 1,5 million de t, TiO2 : 250 000 t (1/4 de la consommation nord américaine de TiO2).

- La détection de faux en peinture peut être réalisée en étudiant la nature des blancs. La présence de TiO2 implique que le tableau a été peint après 1920. La mise en évidence de la forme de TiO2 utilisée (anatase ou rutile) permet de donner des indications plus précises : anatase avant 1953, surtout rutile après.

- Comme couverture des électrodes de soudure à l'arc.

- Comme agent de polissage doux : pour automobiles.

- Comme support de catalyseurs et catalyseur photochimique, en particulier pour la purification de l'air.

- Dans les écrans solaires utilisés comme cosmétiques : utilisation de particules très fines : de 15 à 50 nm.

- Incorporé dans le bitume de routes situées sous des tunnels, il donne une chaussée claire permettant un meilleur éclairage du tunnel. 130 t de TiO2 ont été employées pour 3 tunnels autoroutiers de contournement de Genève.

- Pour la fabrication du titanate de baryum : céramique ayant les propriétés d'une thermistance (résistance à coefficient de température positif, CTP), utilisée comme élément chauffant de petits appareillages électroménagers : cafetières électriques, chauffe-biberons, plaques chauffantes. Sa résistance augmentant avec la température, lorsque la température voulue est atteinte, la résistance est suffisante pour empêcher le passage du courant électrique et ainsi arrêter le chauffage, puis le réguler.



PIGMENTS de titane et PEINTURES

Le dioxyde de titane ou blanc de titane est le pigment le plus utilisé, il représente 70% du volume total de la production mondiale de pigments Les peintures sont des produits de revêtement de surface qui par séchage décorent et protègent la surface revêtue. A l'industrie des peintures sont traditionnellement rattachées celles des vernis, des mastics, des enduits, des encres et des produits bitumineux.

Les pigments sont des substances pulvérulentes d'origine minérale ou organique, insolubles, qui confèrent à la peinture des propriétés anticorrosion (minium, poussière de zinc), d'opacité, d'étanchéité, de tenue mécanique du film et donnent sa coloration (blanche, noire ou colorée). Ils sont également utilisés pour colorer les encres, les plastiques…

PIGMENTS SYNTHETIQUES

Les colorants et les pigments sont des substances qui absorbent le rayonnement lumineux dans le spectre visible. Contrairement aux colorants qui sont solubles, les pigments sont insolubles et leurs propriétés colorantes dépendent, outre la nature de leurs chromophores, de leur granulométrie (ils sont d'autant plus opacifiants que leur taille est de l'ordre de la longueur d'onde visible), dispersion, état de surface… Les colorants (700 000 t/an produites dans le monde) sont surtout utilisés dans l'industrie textile des fibres naturelles (coton, laine, soie) et des fibres polyester, l'industrie du papier, des produits alimentaires, parfums, cosmétiques…


L'épuisement du titane

MATIÈRES PREMIÈRES : teneur moyenne de l'écorce terrestre : 0,44 % en Ti. On trouve du titane dans les météorites, dans le Soleil et dans les étoiles, ses raies sont bien marquées pour les étoiles de type M. Les roches rapportées de la Lune par la mission apollo 17 sont composées à 12,1 % de TiO2. On en trouve également dans le charbon, les plantes et même dans le corps humain.

Sur Terre, le titane n’est pas une substance rare. Il est le 10e élément le plus abondant de la croûte terrestre[sa teneur moyenne y est de 0,63 %, Seuls les éléments suivants y ont plus d'atomes, par ordre décroissant : l’oxygène, le silicium, l’aluminium, le fer, l'hydrogene, le calcium, le sodium, le magnésium, et le potassium.

En tant que neuvième élément le plus abondant dans la croûte terrestre et quatrième métal structurel le plus abondant, la réserve mondiale actuelle de gisements de matières premières pour la production du métal de titane est presque illimitée. Avec un volume considérable d'éponges non utilisé à travers le monde, la capacité de fusion et de traitement du titane peut supporter une croissance continue des d'applications de grand volume 

Production mondiale de titane en 2010, la capacité de production mondiale s'élève à 340 000 t.

En 2009, la production chinoise a été de 41 164 t, celle des Etats Unis de 35 600 t.

Situation française : en 2007, la production française de lingots a été de 1 600 t, par Cezus, filiale d'Areva, pour Timet Savoie.

Cezus, filiale d'Areva, n°1 mondial de la production de zirconium, produit des lingots de titane à partir de chutes de fabrication dans son usine d'Ugine (73). La production est sous traitée pour la société Timet Savoie, filiale du groupe américain Titanium Metals Corp. (Timet). Timet Savoie est détenue à 70 % par Timet et 30 % par Areva.

- Importations, en 2010, hors déchets : 7 354 t provenant de : Etats Unis : 30 %, Royaume Uni : 23 %, Japon : 13 %, Russie : 10 %. - Exportations, en 2010, hors déchets : 1 026 t.


Production minière du titane : en 1991, en 103 t de TiO2 contenu. Monde : 3 530 dont 3 100 d'ilménite et 430 de rutile.

Australie  : 1 024 dont 191 de rutile ex URSS (1989)  : 230 Canada  : 563 Malaisie (1990)  : 184 Afrique du Sud (1990)  : 571 Sierra Leone (1990)  : 171 Norvège (1990)  : 362 États-Unis (1990)  : 140


Réserves de titane dans le monde, en milliers de t.

Pays Rutile

Ilménite 
Pays  Rutile 
Ilménite 

Brésil 90 000

- 
Afrique du Sud  6 000 
42 000 

Chine 2 700

80 000 
Inde  9 000 
35 000 

Canada -

73 000 
Etats-Unis  1 700 
42 000 

Australie 10 000

38 000 
Italie  21 000 

Selon wikipédia : La plupart des minéraux, roches et sols contiennent de petites quantités de titane. On dénombre 87 minéraux ou roches contenant au moins 1 % de titane. Les minerais riches en titane sont par contre très peu nombreux, à savoir, l’anatase (TiO2), la brookite (TiO2), l’ilménite (Fe(TiO3)2) et ses altérations par carence de fer : le leucoxène, la perovskite (CaTiO3), le rutile (TiO2), la sphène ou titanite (CaTiO(SiO4)) et la titanomagnétite (Fe(Ti)Fe2O4).

La majorité du titane sur Terre se trouve sous forme d’anatase ou de titanomagnétite, mais ces derniers ne peuvent être exploités avec les technologies actuelles de manière rentable. Seuls l’ilménite, le leucoxène et le rutile sont intéressants économiquement, étant donné la facilité avec laquelle ils peuvent être traités.

On trouve des gisements de titane en Madagascar, Australie, Scandinavie, Amérique du Nord, Malaisie, la Russie, Chine, Afrique du Sud et Inde.

La réserve mondiale totale, à savoir celle qui n’est pas encore technologiquement et économiquement exploitable, est estimée à 2 milliards de tonnes. Les réserves prouvées de rutile et d’ilménite, calculées en pourcentage de TiO2 utilisable et technologiquement extractible en 2005, sont estimées à 600 millions de tonnes.


Répartition des réserves exploitables d'oxyde de titane en 2005. Principaux producteurs d'oxyde de titane en 2003, Chiffres de 2003, en milliers de tonnes de dioxyde de titane[11] :

Pays Milliers de tonnes  % du total Australie 1291,0 30,6 Afrique du Sud 850,0 20,1 Canada 767 18,2 Norvège 382,9 9,1 Ukraine 357 8,5 Total 5 pays 3647,9 86,4 Total monde 4221,0 100,0

- 

Commerce international : concerne environ 50 % de la production mondiale. Les Principaux pays exportateurs de titane sont : Australie, Canada, Norvège.

Le dioxyde de titane est utilisé principalement comme pigment blanc, sa fabrication consomme 95 % de la production des minerais de titane. Les oxydes naturels, souvent fortement colorés, ne peuvent pas être utilisés directement. Environ 5 % des minerais de titane sont destinés à l'élaboration du titane.




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