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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 fait 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 et 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 2019, les ventes de la société Iluka qui ont porté sur 274 000 t concernaient à 42 % la qualité premium, 28 % la qualité standard et à 30 % les concentrés de zircon.

Productions minières

Productions minières de concentrés de zircon

En milliers de t, en 2020, sur un total de 1,4 million de t (source : USGS)

En Australie, les gisement sont principalement exploités par Iluka et Tronox (voir ci-dessous). Par ailleurs, 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, les minéraux étant séparés à Picton. 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. En juillet 2019, la mine a été acquise par Doral Mineral Sands, filiale du groupe japonais Iwatani.

En Afrique du Sud, les gisements sont principalement exploités par Tronox et Rio Tinto (voir ci-dessous). Par ailleurs, début 2014 a débuté la production de la mine de Tormin, sur la côte ouest de l’Afrique du Sud, à 400 km au nord du Cap. Exploitée par la société australienne Mineral Commodities (MRC), en 2020, la production a été de 10 090 t de concentrés de zircon et rutile renfermant 67,61 % de zircon et 15,95 % de rutile, 67 460 t de concentrés d’ilménite et 153 743 t de concentrés de grenats.

Pour les autres pays, voir ci-dessous le paragraphe producteurs.

Pour plus de précisions voir également le chapitre dioxyde de titane.

Commerce international : de minerais de zirconium et de leurs concentrés, en 2020.

Principaux pays exportateurs.

en tonnes
Australie (estimation) 730 000 Kenya 32 281
Afrique du Sud 327 274 Madagascar 25 250
Mozambique 119 919 Sierra Leone 23 246
Sénégal 85 044 États-Unis 20 983
Indonésie 64 152 Belgique 19 667

Source : ITC

Les exportations de l’Australie sont destinées à 86 % à la Chine.

Principaux pays importateurs sur un total de 1 627 051 t en 2019.

en tonnes
Chine 1 082 158 Pays Bas 20 171
Inde 55 545 Belgique 19 313
Malaisie 34 645 France 19 136
Italie 34 511 Japon 17 399
États-Unis 23 966 Taipei chinois 13 936

Source : ITC

Les importations chinoises proviennent à 58 % d’Australie, 18 % d’Afrique du Sud, 7 % du Mozambique.

Réserves de zircon

En milliers de t de ZrO2 contenu, en 2020, sur un total de 64 millions de t (source : USGS)

Producteurs

En 2020, répartition de la production mondiale de zircon sur un total d’environ 1 million de t.

Tronox (Afrique du Sud, Australie) 24 % Kenmare (Mozambique) 4 %
Iluka (Australie, Sierra Leone) 17 % Chemours (États-Unis) 4 %
Rio Tinto (Afrique du Sud, Madagascar) 12 % Base Resources (Kenya) 3 %
TiZir (Sénégal) 6 %  

Sources : Eramet et rapports des sociétés

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

  • Tronox possède, en 2020, une capacité de production de 297 000 t/an de zircon, 182 000 t/an de rutile et leucoxène, 230 000 t/an de rutile synthétique, 410 000 t/an de laitier de dioxyde de titane, 220 000 t/an de fonte. La société exploite 6 mines, après l’achat, en avril 2019, des activités dans les minéraux denses et le dioxyde de titane de la société d’Arabie Saoudite Cristal :
    • 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, 230 000 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 361 millions de t renfermant 1,8 % de minéraux denses composés de 61,3 % d’ilménite, 8,1 % de rutile et leucoxène et 11,2 % de zircon.
    • En Australie de l’ouest, dans le bassin de Perth, la mine de Wonnerup acquise auprès de Cristal possède une capacité de production de 12 000 t/an de zircon et 12 000 t/an de rutile et leucoxène. Les réserves prouvées et probables sont de 19 millions de t renfermant 5,4 % de minéraux denses à 72,2 % d’ilménite, 16,7 % de rutile et leucoxène, 9,5 % de zircon.
    • En Nouvelle Galles du Sud, les mines de Ginkgo et Snapper, issues de l’achat de Cristal, dans le bassin de Murray possèdent une capacité de production de 65 000 t/an de zircon et 80 000 t/an de rutile et leucoxène. Les réserves prouvées et probables sont de 57 millions de t renfermant 2,1 % de minéraux denses à 41,5 % d’ilménite, 29,2 % de rutile et leucoxène, 12,2 % 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 225 millions de t contenant 5,6 % de minéraux denses composés de 61,4 % d’ilménite, 7,2  % 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, 120 000 t/an de fonte et 25 000 t/an de rutile.
    • A Brand-se-Baai, 35 km au nord du Cap, sur le gisement de Namakwa, avec des réserves prouvées et probables de 727 millions de t renfermant 6,0 % de minéraux denses contenant 48,2 % d’ilménite, 10,2 % de rutile et leucoxène et 10,5 % de zircon, le minerai est 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 30 000 t/an de rutile et leucoxène.
    • Au total, avec les mines planifiées et en projet, les réserves prouvées et probables de Tronox sont de 1,545 milliard de t renfermant 4,8 % de minéraux denses à 52,5 % d’ilménite, 10,3 % de rutile et leucoxène et 10,3 % de zircon.
    • Au Brésil, la mine de Paraiba, acquise auprès de Cristal est, début 2020, en fin de vie.
  • Iluka Resources a produit, en 2020, 185 000 t de zircon (322 100 t en 2019), 456 000 t d’ilménite, 173 000 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.
    • En Australie, la mine de Cataby entrée en production en avril 2019, dans la région de Perth, dans l’ouest a produit 58 800 t de zircon, 342 400 t d’ilménite et 27 900 t de rutile et celles de Jacinth-Ambrosia, dans le bassin d’Eucla, dans le sud, ont produit 114 900 t de zircon, 67 700 t d’ilménite et 24 500 t de rutile. Les concentrés produits ont approvisionné les usines de Capel et de Narngulu, au sud et au nord de Perth. Les réserves prouvées et probables sont de 197 millions de t de minerai renfermant 5,7 % de minéraux denses à 55 % d’ilménite, 17 % de zircon et 3 % de rutile.
    • En Sierra Leone, la société Sierra Rutile, a été acquise en décembre 2016. En 2020, la production a été de 6 600 t de zircon, 120 200 t de rutile et 45 800 t d’ilménite. Les réserves prouvées et probables sont de 268 millions de t renfermant 1,4 % de rutile.
    • Une production résiduelle de 4 900 t de zircon est issue, en 2020, des stocks des exploitations fermées américaines et du bassin de Murray en Australie.
  • 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 1,5 milliard 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 382 millions de t renfermant 0,2 % de zircon et 3,5 % de TiO2.
  • 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, par la filiale Grande Côte Opérations (GCO), des sables sénégalais puis le 1er juillet 2018, Eramet a pris le contrôle total de TiZir. La production du gisement sénégalais  a débuté au cours de l’année 2014. En 2020, la production a été de 59 200 t de zircon, 25 800 t de concentrés de zircon, 521 000 t d’ilménite et 9 500 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 1,269 milliard de t contenant 1,45 % de minéraux valorisables à 70,0 % d’ilménite, 10,3 % de zircon, 3,2 % de leucoxène et 2,5 % de rutile.
  • Kenmare, exploite la mine de Moma, sur le dépôt de Namalope, au Mozambique. En 2020, la production a été de 43 300 t de zircon, 37 100 t de concentrés de zircon, 756 000 t d’ilménite et 5 957 t de rutile, à l’aide de deux dragues. Les réserves sont de 1,540 milliard de t de sable contenant 2,7 % d’ilménite, 0,18 % de zircon et 0,059 % de rutile.
  • Chemours, exploite trois mines, l’une en Floride, près de Starke, depuis 1949, les autres à Nahunta et Jesup, en Géorgie. La mine de Nahunta a été acquise, en août 2019, auprès de Southern Ionics. Les capacités de production de Southern Ionics étaient 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 Kwale, au Kenya, par la société australienne Base Resources. En 2020, la production a été de 31 657 t de zircon, 2 370 t de concentrés de zircon, 355 093 t d’ilménite et 78 920 t de rutile. Les réserves prouvées et probables sont de 40 millions de t de minerai renfermant 3,4 % de minéraux denses constitués de 57 % d’ilménite, 13 % de rutile et 6 % de zircon.
    Développe, à Madagascar, sur de dépôt de Ranobe, le projet Toliara qui possède des réserves de 586 millions de t renfermant 6,5 % de minéraux denses à 74 % d’ilménite, 5,9 % de zircon, 2,0 % de rutile et leucoxène. La production prévue, à compter de 2022, est de 806 000 t/an d’ilménite, 54 000 t/an de zircon et 8 000 t/an de rutile.
  • 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.

Situation française

En 2020.
Pas de production.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 2 383 t avec comme principaux marchés à :

  • 68 % l’Italie,
  • 10 % le Royaume Uni,
  • 9 % l’Autriche.

Les importations s’élevaient à 19 136 t en provenance principalement à :

  • 64 % d’Afrique du Sud,
  • 11 % du Sénégal,
  • 6 % du Mozambique,
  • 6 % du Malawi.

Utilisations

Consommations : en 2020, elles sont, dans le monde, de 1 million de t de zircon.

Secteurs d’utilisation du zircon

En 2020, dans le monde (source : Tronox)

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 2017, la production mondiale d’oxychlorure est principalement effectuée en Chine avec 346 000 t/an.

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