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janvier 2017

L’aluminium, une belle histoire

 


La belle histoire, commence par une légende. Cinquante ans après J.C, Pline l’Ancien raconte dans son Historia naturalis qu’un orfèvre de Rome montra à l’empereur Tibère un plateau fait d’un nouveau métal, très léger et presque aussi brillant que l’argent, qu’il avait obtenu à partir d’argile brute. Il l’assura également que seuls les dieux et lui-même connaissaient le moyen de le pro­duire. L’empereur se montra très intéressé, mais aussi très inquiet du fait que tous ses trésors d’or et d’argent pourraient être un jour fortement dévalués si l’on se mettait à tirer sim­plement de l’argile ce métal brillant. Aussi bien, au lieu de féliciter l’orfèvre, le fit-il carrément décapiter.

En fait, l’aluminium apparut, dix-neuf siècles plus tard, comme un métal précieux, avant de devenir le métal de la modernité.

L’aluminium chimique

Les précurseurs

C’est l’alun1 (du latin alumen) qui fut le premier minerai d’aluminium, connu comme médicament pour son caractère astringent, puis comme mordant pour fixer les matières colo­rantes. Dans son ouvrage De natura fossilium (1546), le miné­ralogiste allemand Georg Bauer, dit Agricola, fit le recense­ment des mines d’alun, et dix ans plus tard, dans son De re metallica, il décrivit les procédés d’extraction de l’alun des terres alunifères.

En 1754, le chimiste allemand Sigismund Marggraf parvient à décomposer l’alun par calcination et isole la terre d’alun qui n’est autre que l’oxyde d’aluminium. Celui-ci fut d’abord considéré comme un corps simple. C’est Théodore Baron, médecin français, qui, le premier, s’affirma convaincu que la terre d’alun cache un métal. « Je pense qu’il n’est pas trop ris­qué de prédire qu’un jour viendra où la nature métallique de la base d’alun sera incontestablement prouvée. »2 En cela, il est le précurseur de Lavoisier qui émet en 1787 l’hypothèse plus générale selon laquelle les « terres » pourraient ne pas être des corps simples.

Avec Louis Guyton de Morveau, magistrat et chimiste fran­çais, il rénova la nomenclature chimique de l’époque, et la terre d’alun devint l’alumine.

En 1807, le chimiste et physicien anglais Humphrey Davy, uti­lisant la pile de Volta, réussit à isoler le sodium et le potas­sium, mais l’alumine résista à son traitement. Il écrivit : « Si j’avais été assez heureux pour isoler le métal que je m’efforçais d’atteindre, je lui aurais donné le nom d’alumium. » Ce nom est dérivé d’alun (alumen), mais les nouveaux métaux étant plu­tôt dénommés à partir de leur oxyde, on en vient, quelques années plus tard, d’alumium à aluminium.

En 1825, le physicien danois Hans Christian Oersted pensa utiliser le chlorure d’aluminium, obtenu par action du chlore sur un mélange d’alumine et de charbon, qu’il tenta de rédui­re par l’amalgame de potassium.

Par calcination, il obtint ensuite une poudre contenant pro­bablement de l’aluminium, mais avec trop d’impuretés pour pouvoir en déterminer les propriétés.

Ces essais furent poursuivis en 1827 par le chimiste allemand Friedrich Wöhler, en remplaçant l’amalgame de potassium par du potassium pur. Il obtint également « une poussière grise qui, examinée de près, paraît composée de petites paillettes métalliques. c’est l’aluminium. »3 Mais cet aluminium, encore mélangé à des impuretés, était encore attaqué par l’eau bouillante. En 1845 il obtint de plus grosses particules, encore impures, mais qui lui permirent d’en déterminer la densité.

Le procédé Sainte-Claire Deville

En 1854, le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville reprit les expériences de Wöhler, en remplaçant le potassium par le sodium. Vers 700°C le chlorure d’aluminium en excès se com­bine au sodium pour former le chlorure double d’aluminium et de sodium à l’état liquide, dans lequel l’aluminium excé­dentaire se rassemble en gros globules :

8 AlCl3 + 6Na ——> 3 Al2Cl6,2NaCl + 2Al

En même temps que la mise au point du procédé chimique, Deville rechercha la possibilité de produire l’aluminium par électrolyse du même chlorure double en utilisant une pile. Le physicien allemand Robert Bunsen arriva au même moment au même résultat. En effet, tandis que Deville décrivait ses deux procédés le chimique et l’électrolytique, devant l’Académie des Sciences le 14 août 1854, le procédé électro­lytique de Bunsen venait d’être publié, peu de temps aupara­vant, le 9 juillet 1854, dans les Annales de Poggendorff. Le premier lingot d’aluminium qui fut présenté à l’Académie le 20 mars 1854 était d’origine électrolytique, tandis que le pre­mier lingot d’aluminium chimique y fut présenté par Jean-Baptiste Dumas le 18 juin 1855. À l’Exposition Universelle de 1855 à Paris, quelques petits lingots d’aluminium chimique furent exposés dans la Rotonde du Panorama où se trou­vaient également les joyaux de la Couronne.

Sainte-Claire Deville ne retint pas son procédé électrolytique compte tenu de la faible puissance et du coût excessif de l’énergie électrique fournie par des piles au zinc. Il chercha donc à développer son procédé chimique. Grace à une aide financière de Napoléon III, il installa un petit atelier de pro­duction dans l’usine de produits chimiques de Javel, puis un autre atelier, installé dans une fabrique d’alun à Amfreville-la-Mi-Voie, près de Rouen, basé sur une variante, la réduction de la cryolithe par le sodium, qui connaîtra de nombreuses diffi­cultés et ne fonctionnera que quelques années.

Des variantes du procédé à la cryolithe furent étudiées au même moment par l’allemand Heinrich Rose et par les Anglais Allan Dick et Richard Smith. Il fut mis en pratique dans l’éphémère usine anglaise de Battersea de 1858 à 1860. Pour être complet, on se doit de citer également les expéri­mentations de Webster (Aluminium Crown Metals) à Holyhead, de Castner (Aluminum Company ltd) à Oldbury, de Netto (Alliance Aluminium Co) à Wallsand, ainsi que quelques autres (Grabau, Frismuth, etc.).

Les ateliers pilotes

En 1856, Saint-Claire Deville s’associa, avec ses collabora­teurs, Henry Debray et Paul Morin, aux frères Rousseau, fabri­cants de produits chimiques, pour poursuivre les expériences de Javel dans leur atelier parisien de La Glacière, sur un pro­cédé amélioré, Au lieu de réduire le chlorure d’aluminium par le sodium, on procède à une préparation directe du chlorure double d’aluminium et de sodium que l’on réduit ensuite par le sodium en présence de fluorure de calcium comme fon­dant. En effet, à la température de réaction, le chlorure double est liquide, ce qui facilite l’opération. Ceci fit l’objet de deux brevets délivrés en 1856. Les progrès réalisés à La Glacière furent considérables. Avec une production de 2 kg par jour, le prix de revient fut abaissé de 1500 F/kg à Javel, à 300 F/kg, l’or étant à 3100 F/kg et l’argent à 200 F/kg. Mais en avril 1857, la petite usine de La Glacière étant entourée de jardins maraîchers, dut cesser sa production d’aluminium pour cause de pollution.

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Large bracelet en aluminium ciselé et doré, décoré de grenats, (1860-1870) - © Collection Jean Plateau-IHA

Nanterre

Il fallait changer de site de production et trouver les condi­tions techniques et financières d’une production plus indus­trielle. À ses premiers partenaires, Debray et Morin, vont s’ajouter Frédéric Jacquemart, producteur d’alun et Louis Le Chatelier, ingénieur du corps des mines et conseiller tech­nique du Crédit Mobilier. Le site finalement retenu était une ancienne fabrique de colles à Nanterre, au Moulin Noir. La production d’aluminium y démarra dès l’été 1857, selon le procédé mis au point à La Glacière. Elle atteignit 50 kg par mois, avec un prix de revient de 175 F/kg. Mais ce prix restait trop élevé pour assurer un développement des ventes, du fait de l’éloignement des sources de matières premières. Il fallait donc, une fois de plus, trouver un autre site. Ce sera l’usine chimique de Salindres dans le Gard.

La production d’aluminium à Nanterre ne dura que trois ans, de 1857 à 1860, représentant au total de 1800 à 2000 kg.

En 1821, le minéralogiste français Pierre Berthier, ingénieur du corps des mines et chef du laboratoire de l’École des Mines de Paris, recherchant un minerai de fer dans le sud de la France, recueillit un échantillon près du village des Baux-de-Provence. En 1858, cet échantillon fut envoyé au labora­toire de l’Ecole Normale Supérieure. Deville en fit l’analyse et constata que ce minerai contenait surtout de l’hydrate d’alu-mine. Il entreprit alors de le purifier et de l’utiliser en substi­tut de l’alun comme matière première pour la production d’aluminium. Pour cela il fallait des produits sodiques et du charbon à proximité.

Salindres

En janvier 1855 avait été créée la Société Henry Merle et Cie pour la production de soude par le procédé Leblanc à Salindres, près d’Alès. Ce site était proche des mines de char­bon de Bessèges, des mines de bauxite de l’Hérault et du sel marin de Salin-de-Giraud. Il fut donc décidé de transférer la production d’aluminium de Nanterre à Salindres, selon le même procédé mais à partir d’alumine. Pour cela, Deville mit au point, entre 1858 et 1861, un procédé de réaction, par frit­tage, du carbonate de sodium sur la bauxite à 1100°C, suivi d’une lixiviation et d’une précipitation du trihydrate d’alumi-ne par le gaz carbonique. Un atelier démarra à Salindres en 1861.

La production d’aluminium à Salindres débuta dans l’été 1860 et s’arrêta en 1889. Elle fut de 506 kg en 1860, puis aug­menta assez régulièrement pour atteindre 3000 kg en 1889, dernière année de production. Sur ces 30 années, la produc­tion fut d’environ 45 tonnes, le prix de revient ayant, dans le même temps, progressivement diminué de 100 à 60 F/kg. Dans cette période, Salindres aura été la seule usine au monde à produire de l’aluminium.

Mais ce prix de revient s’avérait encore beaucoup trop élevé pour permettre un développement d’applications de masse. Il faudra attendre 1886 et les brevets de Paul Héroult et de Charles Martin Hall de production d’aluminium par électroly­se, permettant de produire l’aluminium à un prix de revient nettement inférieur (25 F/kg en 1890 puis 3 F/kg en 1898) pour changer complètement la donne et faire passer l’alumi-nium d’un métal semi-précieux à un métal de masse, à l’aube d’un formidable développement mondial.

Bijoux et balances

Dans les toutes premières années (1855-1860), le prix de l’aluminium se maintenant au niveau de celui de l’argent, ses applications se limitèrent à la joaillerie et à l’orfèvrerie, comme des bagues, bracelets (Fig.1), broches, pendentifs.

Certaines pièces sont restées célèbres comme le hochet du prince impérial réalisé par Honoré Bourdoncle en 1856, et qui fut selon Sainte-Claire Deville « le premier objet d’art qui ait été fait en aluminium. »4 On le trouve également dans les appa­reils d’optique, comme les jumelles de théâtre, et dans des instruments scientifiques comme le fléau de balance de pré­cision.

Puis son prix décroissant peu à peu, on l’utilise dans diverses applications ménagères et surtout dans les couverts de table en bronze d’aluminium, un alliage de cuivre et 5 à 15% d’alu-minium que l’on trouve également dans des objets religieux après accord du Vatican par un rescrit papal de 1866.

Cliquez pour agrandir Cuve pilote 600 000 A au LRF 2011 - © LRF/RTA

L’aluminium électrolytique

Robert Bunsen et Henri Sainte-Claire Deville, conscients de la nécessité d’une réduction drastique du prix de revient, avaient expérimenté l’électrolyse d’un chlorure en utilisant des piles. Mais ils n’obtinrent pas le résultat escompté comp­te tenu d’un coût trop élevé de l’énergie des piles. Il fallut attendre l’invention, en 1871, de la dynamo par l’ingénieur belge Zénobe Gramme et l’apparition de deux jeunes inven­teurs de génie, Charles Martin Hall en Amérique et Paul Héroult en France.

Hall – Héroult. Les jumeaux de l’aluminium

L’invention du procédé électrolytique de production d’alumi-nium sera l’œuvre de deux jeunes gens nés la même année 1863 de part et d’autre de l’Atlantique, ayant déposé leur pre­mier brevet la même année 1886, et étant décédés la même année 1914. Et ils ont été, l’un et l’autre, influencés par deux professeurs de chimie, Charles Martin Hall par Frank Jewett, de l’Université d’Oberlin (Ohio) qui avait rencontré Wöhler en Allemagne, et Paul Héroult par Henri Le Chatelier, à l’École des Mines de Paris, dont le père, Louis Le Chatelier, avait été associé aux travaux de Sainte-Claire Deville. Enfin « tous deux furent pris, dans leur adolescence, d’une passion quasi religieu­se pour trouver un procédé meilleur marché de production d’aluminium, et tous deux furent convaincus que l’électrolyse était la voie à suivre. »5 On les appelle les jumeaux de l’alumi-nium, mais ce sont en fait de faux jumeaux, tant leurs carac­tères et leurs méthodes sont différents.

Charles Hall fut un étudiant studieux et un chimiste distingué qui se concentra sur le bain d’électrolyse, et passa beaucoup de temps à essayer diverses compositions de fluorures pour trouver un bain d’acidité et de densités convenables.

Au contraire, Paul Héroult n’était pas vraiment chimiste. « Ses connaissances pratiques en chimie étaient limitées à ce que peut savoir un étudiant de 23 ans non spécialiste. »6 Il n’avait aucun des attributs de l’étudiant traditionnel. Il était de tempé­rament nerveux et ne donnait pas l’image de l’homme de scien­ce sage et discipliné. Il aimait les jeux et les voyages. C’était un esprit libre dans un corps impétueux... Ses inventions apparais­saient soudainement, comme un trait de génie... Avec son intel­ligence lucide et pratique, et sa grande persévérance, il avait un immense amour de la vie dans laquelle le travail et la recherche étaient de vrais plaisirs. »7

Aussitôt que la cryolithe fut reconnue comme le meilleur bain, Héroult, à l’inverse de Hall, se concentra sur la technologie de la cuve d’électrolyse, en augmentant la taille d’un nombre limité d’anodes et diminuant ainsi la densité de cou­rant. C’est cette technologie qui prévaudra jusqu’à nos jours.

Les débuts de l’industrie de l’aluminium

Héroult et Hall déposèrent leur premier brevet respective­ment le 23 avril et le 9 juillet 1886. Il s’en suivit un contentieux aux États-Unis sur l’antériorité du brevet Héroult, qui ne fut pas reconnue. Au bout de quelques années de discussion, ils se mirent d’accord et devinrent amis.

Ils durent ensuite procéder à une première mise au point dans des ateliers pilotes. Hall, en contrat avec la Pittsburgh Reduction Company, construisit ses premières cuves à Smallman Street (Pittsburgh) en 1888, puis à New Kensington (Pensylvanie) en 1891.

Héroult, faute de financements français, signa un contrat avec la Société Métallurgique Suisse, pour exploiter son pro­cédé dans l’usine de Neuhausen, sur le Rhin. Puis deux indus­triels lorrains, Gustave Munerel et Jules Viard, créèrent la Société Électro-Métallurgique Française (SEMF) pour construire une petite usine à Froges, près de Grenoble. Héroult y expérimenta, de 1888 à 1892, trois générations de cuves de 4 000 Ampères.

À la suite de ces premières mises au point, ils construisirent leurs premières usines de production industrielle, Héroult à La Praz en Maurienne avec des cuves de 7 500 A en 1893, Hall avec des cuves de 9 000 A à Niagara Falls en 1895.

Dans le même temps, Paul Héroult dirigea à l’usine d’alumine de Gardanne, rachetée en 1894 à la Société de l’Alumine pure, la mise au point du procédé Bayer de production d’alu-mine à partir de la bauxite.

L’aluminium au XXe siècle

À partir de ces prémices, la production d’aluminium connaî­tra une fabuleuse croissance mondiale tout au long du XXe siècle, liée au développement des diverses applications de l’aluminium dans l’aéronautique, les transports, le bâtiment, l’emballage, l’électroménager et autres.

Nous allons en parcourir les principales étapes en France :

1893-1929 – L’aluminium au pied des chutes

C’est la période du couplage physique : chute-turbine-dyna­mo-série d’électrolyse, le transport d’énergie électrique n’étant pas encore développé. La première usine, La Praz, comportait à l’origine 22 cuves (6 de 5000 A et 16 de 7500 A). La production passa de 180 t en 1894 à 1996 t en 1907. Ensuite une dizaine de chutes alpines et pyrénéennes furent aménagées pour alimenter une usine d’aluminium, de Chedde (Haute Savoie) en 1905 à Sabart (Ariège) en 1929. L’intensité passera de 9000 A à 20 000 A.

1930-1950 – Barrages et interconnexions

Pendant cette période perturbée par la crise des années 30 puis la seconde guerre mondiale, aucune usine ne sera construite hormis celle de Lannemezan, pour des raisons stratégiques, en 1939. Mais des progrès technologiques per­mirent d’augmenter la capacité des usines existantes, l’intensité passant à 27 000 A en 1930 puis à 50 000 A en 1936. Pour assurer cette croissance, on construisit plusieurs grands barrages en 1935-1937 : Bissorte en Haute Maurienne, Le Chambon sur la Romanche, Le Sautet sur le Drac. En même temps on installa tout un réseau d’interconnexion pour optimiser la répartition d’énergie entre les différentes usines.

1946-1975 – Les Trente Glorieuses hors de l’Hexagone

La nationalisation de l’électricité en 1946 mit un terme au développement hydroélec­trique des producteurs d’aluminium en France, à un moment de croissance forte de la demande d’aluminium. À part l’occasion très ponctuelle du gaz de Lacq ayant abouti à un investissement de Pechiney et Ugine dans la centrale d’Artix et à la construction de l’usine de Noguères démarrée en 1960, les producteurs n’eurent d’autre solution que d’investir outre-mer et à l’étranger. Il s’en suivit la réalisation du com­plexe bauxite-alumine de Fria en Guinée et de l’usine Alucam d’Edéa au Cameroun, démarrée en 1957, puis, en 1966, de l’usine Intalco aux États-Unis, et de l’usine d’alumine et d’alu-minium de Saint-Nicolas en Grèce, alimentée à la fois en énergie par un barrage sur le fleuve Acheloos, et en bauxite par les mines du Parnasse. Enfin en 1971 l’usine hollandaise de Vlissingen démarra sur l’énergie nucléaire, et celle d’Eastalco aux États-Unis sur le charbon.

Dans cette période, les progrès technologiques permirent une nouvelle augmentation de l’intensité des cuves portée à 100 000 puis 130 000 A.

1978-2015 : Le LME et les restructurations

L’introduction de l’aluminium à la bourse des métaux de Londres, le London Metal Exchange (LME), en décembre 1978, marqua un certain bouleversement économique de cette industrie.

Jusqu’alors assez contrôlé par l’influence des six entreprises les plus importantes au niveau mondial (Alcoa, Alcan, Reynolds, Kaiser, Pechiney et Alusuisse) le prix de l’alumi-nium devint beaucoup plus instable. Il en résulta des chan­gements structurels importants, en particulier la fin de l’inté-gration amont (production) - aval (transformation).

L’impératif de productivité se traduisit par la fermeture d’usines anciennes (sept usines françaises en 1982-85) et la mise en service de grandes usines (de 200 000 à 400 000 t) en site portuaire, Tomago en Australie (1983), Bécancour au Canada (1986), et Dunkerque (1992).

Pour permettre l’augmentation de la productivité, la techno­logie réalisa encore d’importants progrès avec deux nou­velles générations de cuves de 180-300 kA, puis 400 kA por­tées tout récemment à 600 kA (Fig. 2). À titre d’exemple, l’usi-ne d’Abou Dhabi, démarrée en 2011 avec des cuves de 300 et 550 kA, a une capacité de 1,3 Mt.

Les restructurations de l’industrie au niveau mondial ont abouti non seulement à d’importantes concentrations d’entreprises, mais surtout à l’émergence de nouveaux acteurs. Ceci s’est traduit par une forte décroissance de production dans les pays développés (Europe, États-Unis, Japon) relayés par les pays émergents (BRIC et Moyen Orient), en particulier la Chine dont la production n’était que de 296 000 t en 1978, représentait 13,8 % de la production mondiale (3,37 Mt sur 24,4) en 2001, et 51,3 % (26,7 Mt sur 52) en 2015. Ainsi en 15 ans, la production mondiale a plus que doublé, tandis que celle de la Chine a été multipliée par 8 !

Perspectives

Dans la mesure où l’industrie de l’aluminium poursuit active­ment ses recherches sur la maîtrise de l’environnement, les qualités intrinsèques du métal doivent largement assurer son avenir. « Les caractéristiques de l’aluminium telles que la légèreté, la résistance mécanique, le relativement bas point de fusion, la ductilité, la conductibilité et la résistance à la corrosion continueront d’en assurer une forte demande dans le futur. »8 À cela s’ajouteront encore les besoins croissants de nom­breux pays en voie de développement.

L’histoire de l’aluminium n’est pas terminée.

 

 

1 Le terme alun désigne divers sulfates doubles d’aluminium et d’un métal alcalin.

2Théodore Baron, Mémoires de l’Académie Royale, Paris, 6 avril 1760, p. 274.

3Friedrich Wöhler, Poggendorff’s Annalen, 1827, p. 146-161.

4Henri Sainte-Claire Deville, De l’aluminium, ses propriétés, sa fabrication et ses applications, Mallet-Bachelier, Paris, 1859.

5Patrick D Stobart, Charles Hall Paul Héroult, deux jeunes gens remar­quables et leur temps, Cahiers d’histoire de l’aluminium, n°1, mai 1987, p 44

6Paul Héroult, L’aluminium à bon marché, Cahiers d’histoire de l’alumi-nium, n°12, 1993, p 53

7Christian Bickert, Le centenaire de l’invention de Paul Héroult en 1886. Pechiney U S, 1986

8Dr Carmine Nappi, The Global Aluminium Industry, 40 years from 1972, World Aluminium, 2013

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