Ammoniac

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Moment dipolaire Géométrie de la molécule
NH3 17,03 g.mol-1 1,4718 D Distance interatomique : N-H : 101,5 pm
Angle HNH : 106,6°

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température de sublimation Température critique Pression critique Température  point triple Pression point triple Température d’auto-inflammation Limites d’explosivité dans l’air Solubilité dans l’eau
  • gazeux, 15°C, 101,3 kPa : 0,729.10-3 g.cm-3
  • liquide, à -33,35°C : 0,682 g.cm-3
  • solide, à -77,74°C : 0,817 g.cm-3
 -77,74°C -33,35°C 132,25°C 11 330 kPa -77,60°C 6,111 kPa 630°C de 15,5 à 27 %, en volume
  • à 0°C : 89,9 g/100 g d’eau
  • à 100°C : 7,4 g/100 g eau

Données chimiques

pKa : NH4+aq/NH3
9,24

Données thermodynamiques

Ammoniac gazeux :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -45,94 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -16,5 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 192,67 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 35,1 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 5,6 kJ.mol-1
  • Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 23,4 kJ.mol-1

Ammoniac en solution aqueuse :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -80,3 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -26,6 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 111,3 J.K-1mol-1

Données industrielles

Matières premières

Pour produire 1 t de NH3 il faut 658 m3 de diazote et 1 974 m3 de dihydrogène, mesurés à 1 bar et 25 °C. Le diazote provient de l’air. Le dihydrogène est obtenu principalement par vaporeformage du gaz naturel (composé de méthane, CH4) mais aussi, particulièrement en Chine, à partir du charbon, lors de l’élaboration du coke ou par gazéification en présence d’eau.
En 2021, le gaz naturel est la matière première adoptée pour 72 % des capacités mondiales de production de NH3, soit 20 % de la demande de gaz naturel, le charbon et le gaz de cokerie pour 22 % (à 95 % en Chine) soit 5 % de la demande de charbon, le fuel ou le naphta pour 6 %.
En Chine, en 2016, le charbon représente 82 % des matières premières utilisées.
Dans l’Union européenne, en 2012, la part du gaz naturel est de 90 %.
Toute la production française d’ammoniac est effectuée à partir de gaz naturel.

Le gaz naturel représente, en 2013, dans l’Union européenne, de 80 à 88 % des coûts de production de l’ammoniac. Il faut 0,6 kg de gaz naturel pour produire 1 kg d’ammoniac.

En 2024, le gaz naturel représente 28 % des coûts de production du principal producteur mondial CF Industries.

Fabrication industrielle

Principe : selon le procédé Haber-Bosch dont la première industrialisation a eu lieu, en 1913, par BASF, à Oppau, en Allemagne.

En général, en dehors de la Chine, l’élaboration se fait directement à partir du gaz naturel qui donne H2 (voir le chapitre consacré à ce gaz). L’air (source de diazote) est introduit après le vaporeformage et avant la conversion. A ce stade, le gaz de synthèse contient de 5 à 11 % de méthane non transformé. Un reformage secondaire (ou post combustion) permet d’éliminer le dioxygène de l’air par combustion avec le méthane restant.

La synthèse de NH3 a lieu à haute pression (8 à 30 MPa), 350 à 500°C, en présence de catalyseurs contenant du fer. Le rendement est faible (environ 20 %), ce qui nécessite un recyclage du gaz non converti après récupération de NH3 par refroidissement.

N2 + 3 H2 = 2 NH3        ΔrH°298 = – 92,2 kJ/mole.

Les nouvelles unités de production peuvent donner 3 300 t NH3/jour et atteindre jusqu’à 4 250 t/jour. La consommation moyenne d’énergie est de 34,7 GJ/t dans l’Union européenne, elle est de 27 GJ/t pour les nouvelles unités de production.

Catalyseur : exemple de composition, en % en masse, avant réduction lors de la production de NH3. Dans le réacteur, l’oxyde de fer est réduit en fer.

Fe3O4 Al2O3 CaO K2O MgO SiO2
94,3 % 2,3 % 1,7 % 0,8 % 0,5 % 0,4 %

Un four de production de NH3 contient 100 t de catalyseur, sous forme de grains de 1,5 à 20 mm, avec une durée de vie qui peut atteindre 10 ans.
Dans les réacteurs fonctionnant à pression relativement basse (8 à 10 MPa), les catalyseurs contiennent environ 5 % d’oxyde de cobalt.
Un catalyseur à base de rubidium et de ruthénium est utilisé dans une unité de production de 150 000 t/an à Kitimat en Colombie Britannique (Canada).

Exemples d’unités de production :

  • La plus grande usine, au monde, est celle exploitée par CF Industries, aux État-Unis en Louisiane, à Donaldsonville, avec une capacité de 3,933 millions de t/an de NH3. Elle comprend 6 unités de production d’ammoniac, 5 d’urée avec une capacité de production de 2,390 millions de t/an, 4 d’acide nitrique, 3 de solutions urée/nitrate d’ammonium à 32 % de N avec une capacité de production de 2,952 millions de t/an. La capacité de stockage est de 140 000 t d’ammoniac.
  • La plus grande usine européenne de production d’ammoniac, exploitée par Yara, est située à Sluiskil, aux Pays-Bas. Les 3 unités de production possèdent une capacité de 1,9 million de t/an. L’ammoniac est utilisé dans 2 unités de production d’acide nitrique avec une capacité de production de 1,4 million de t/an, dans 2 unités de productions d’urée avec une capacité de production de 1,3 million de t/an et des unités de production de nitrates avec une capacité de production de 1,9 million de t/an.

Stockage : NH3 est obtenu anhydre, liquide, à -33°C, et stocké à cette température, à la pression atmosphérique. Les réservoirs contiennent jusqu’à 36 000 t de NH3. CF Industrie possède une capacité de stockage de 1,230 million de t.

Coproduit : du dioxyde de carbone (2,1 t/t d’ammoniac). Celui-ci peut être utilisé pour produire de l’urée, vendu aux distributeurs de gaz industriels, ou rejeté dans l’atmosphère. La production d’ammoniac génère au niveau mondial 1 % des émissions de gaz à effet de serre. Les émissions sont comprises entre 1,6 t de CO2/t de NH3 à partir du gaz naturel et 3,8 t de CO2/t de NH3 à partir de charbon.

Ammoniac vert : afin de lutter contre le réchauffement climatique, les producteurs d’ammoniac commencent à envisager sa production à partir de dihydrogène vert. On distingue :

  • l’ammoniac brun ou gris : celui qui est produit actuellement selon de procédé Haber-Bosch à partir de gaz naturel ou de charbon,
  • l’ammoniac bleu : obtenu selon la voie traditionnelle suivie de la captation et le stockage du dioxyde de carbone coproduit,
  • l’ammoniac vert : obtenu à partir de dihydrogène provenant de l’électrolyse de l’eau à l’aide d’électricité obtenue à partir d’énergie renouvelable.

La première production d’ammoniac bleu, avec 285 000 t/an, a été réalisée en 1982 par Koch Nitrogen Company à Enid, dans l’Oklahoma, aux États-Unis, le CO2 capté étant destiné à être injecté dans un gisement de pétrole afin d’augmenter sa production. Depuis 2019, Nutrien produit ainsi 250 000 t/an d’ammoniac bleu en stockant 300 000 t/an de CO2 sur son site de Redwater.

Divers projets de production d’ammoniac vert commencent à prendre forme par exemple pour Yara en Australie avec 3 500 t/jour, aux Pays Bas à Sluiskil  avec 75 000 t/an, en Norvège à Porsgrunn avec 500 000 t/an ou pour CF Industrie avec la conversion de 20 000 t/an dans son usine de Donaldsonville.

La production d’ammoniac vert a débuté en 1921. En 1930, elle représentait 1/3 de la production mondiale, les 2/3 restant étant obtenu à partir du charbon. Face à la concurrence du gaz naturel, cette production a quasi disparu, en 2021, il n’y a plus en activité qu’une seule production d’ammoniac vert, depuis 1965, par Enaex, au Pérou, à Cusco, à partir d’hydroélectricité avec une capacité de 10 000 t/an. L’ammoniac produit est destiné principalement à produire du nitrate d’ammonium comme explosif pour l’industrie minière du pays.

Productions

Production d’ammoniac

En 2024, en millions de t de NH3, sur un total mondial de 182 millions de t. Source : USGS.

En milliers de t, en 2024, sur un total de 182 millions de t
Chine 57 000 Arabie Saoudite 6 600
Inde 18 000 Égypte 6 100
États-Unis 17 000 Iran 5 100
Russie 17 000 Canada 4 400
Indonésie 7 300 Pakistan 4 200

Source : USGS

En 2023, la production de l’Union européenne est de 10,205 millions t de NH3.

En 2021, les capacités mondiales de production sont de 236,4 millions de t/an d’ammoniac avec 467 usines.

La Chine, en 2012, compte 394 usines de production d’ammoniac.

Aux États-Unis, en 2024, 18 sociétés exploitent 37 usines de production situées pour 55 % des capacités de production, en Louisiane, Oklahoma et Texas. Les principaux producteurs sont : CF Industries Holdings avec 39,8 % des capacités de production, Nutrien avec 13,8 % des capacités de production, Koch Nitrogen avec 10,3 % des capacités de production.

Dans l’Union européenne, en 2013, avec une capacité de production de 20,613 millions de t/an de NH3, il y a 42 usines de production d’ammoniac.
Capacités de productions et nombre d’usines, en 2013, et productions en 2023, en milliers de t NH3, soit 10,205.

Capacité, en kt/an Nombre d’usines Production, en kt Capacité, en kt/an Nombre d’usines Production, en kt
Allemagne 3 438 5 2 011, en 2022 Bulgarie 1 118 3 *
Pologne 3 210 5 1 797 Belgique 1 020 2 *
Pays Bas 2 717 2 * Espagne 609 3 401
Roumanie 2 176 6 57 Slovaquie 429 1 427
France 1 495 4 697 Croatie 108
Lituanie 1 118 1 515 Hongrie 2 *

Sources : Eurostat et Centre for European Policy Studies

* : les productions pour ces pays sont confidentielles.
Par ailleurs, en 2013, il y a 1 usine en Italie, Autriche, République tchèque, Estonie et Grèce.

Principaux producteurs : hors producteurs chinois, en 2021.

en millions de t/an de capacité de production d’ammoniac
CF Industries (États-Unis), en 2024 9,79 Ostchem (Ukraine), en 2021 5,18
Yara (Norvège), en 2024 8,2 EuroChem (Russie), en 2021 4,20
PT Pupuk (Indonésie), en 2024 7,09 TogliattiAzot (Russie), en 2021 3,50
Nutrien (Canada), en 2024 7,16 Sabic (Arabie Saoudite), en 2021 3,50
OCI (Pays Bas), en 2021 6,92 Koch (États-Unis), en 2024 2,80

Sources : rapports des sociétés

  • CF Industries, possède des usines de production aux États-Unis, en Louisiane à Donaldsonville, avec une capacité de 3,933 millions de t/an de NH3 et à Waggaman avec une capacité de 798 000 t:an, dans le Mississippi à Yazoo City, avec 517 000 t/an, dans l’Oklahoma à Verdigris avec 75,3 % de 1,098 million de t/an et Woodward avec 435 000  t/an, dans l’Iowa à Port Neal avec 1,116 million de t/an, au Canada, dans l’Alberta à Medecine Hat avec 1,116 million de t/an et dans l’Ontario à Courtright avec 453 000 t/an, au Royaume Uni et détient à Trinidad et Tobago une participation de 50 % de Point Lisas Nitrogen Limited avec 327 000 t/an. En 2024, la production totale d’ammoniac de CF Industries a été de 8,89 millions de t.
  • Yara, possède, en propre, des unités de production à Porsgrunn en Norvège avec 500 000 t/an, à Brunsbüttel en Allemagne avec 800 000 t/an, à Sluiskil aux Pays-Bas avec 1,9 million de t/an, au Havre en France avec 400 000 t/an, à Ferrara en Italie avec 600 000 t/an, à Tertre en Belgique avec 400 000 t/an, à Belle Plaine au Canada avec 800 000 t/an, à Cartagène en Colombie avec 117 000 t/an, à Babrala en Inde avec 800 000 t/an, à Cubatão au Brésil avec 200 000 t/an et à Pilbara en Australie avec 800 000 t/an, ainsi que des participations dans des unités à Freeport aux États-Unis avec 68 % de participation et 600 000 t/an, à Trinidad et Tobago avec 49 % de participation. En 2024, la production de Yara a été de 8,1 millions de t d’ammoniac.
  • En 2024, la production de PT Pupuk, en Indonésie, a été de 7,09 millions de t.
  • Nutrien issu, de la fusion, effective depuis le 1er janvier 2018, entre PotashCorp (Potash Corporation of Saskatchewan, Canada) et Agrium  possède aux États-Unis des unités de production à Augusta, en Géorgie, avec une capacité de production de 0,765 million de t/an, à Geismar, en Louisiane, avec une capacité de production de 0,575 million de t/an, à Lima, dans l’Ohio, avec une capacité de production de 0,725 million de t/an, à Borger, au Texas, avec une capacité de production de 0,470 million de t/an, au Canada, dans l’Alberta, des unités de production à Redwater avec une capacité de production de 0,950 million de t/an, à Carseland avec une capacité de production de 0,540 million de t/an, à Joffre avec une capacité de production de 0,490 million de t/an, à Fort Saskatchewan avec une capacité de production de 0,450 million de t/an, et à Trinidad et Tobago, à Point Lisa, avec une capacité de production de 2,2 millions de t/an. La production totale, en 2023, a été de 5,76 millions de t.
    Par ailleurs Nutrien possède en Argentine, à Bahia Blanca, 50 % de la société Profertil et une capacité en propre de 0,405 million de t/an.
  • OCI produit de l’ammoniac aux Pays Bas, à Geleen avec une capacité de production de 1,196 million de t/an, en Algérie, à Arzew avec 51 % de la société Sorfert et 1,606 million de t/an, en Égypte, à Ain Sokhna, près de Suez avec 1,624 million de t/an, aux États-Unis, à Wever dans l’Iowa avec 926 000 t/an, et à Beaumont, au Texas avec 375 000 t/an, aux Émirats Arabes Unis avec 1,205 million de t/an. En octobre 2024, les activités aux États-Unis et aux Émirats Arabes Unis ont été vendues.

Transport : l’ammoniac est principalement transformé sur place, à 88 %, sinon il est transporté liquide à -33°C en camions citernes, navires de 35 000 t de capacité ou pipeline (5 090 km aux États-Unis, 2 000 km en Russie et Ukraine entre Togliatti et Odessa). Le principal port d’exportation, celui de l’ammoniac produit en Russie et Ukraine, avec 2,6 millions de t/an, est Yuzhnyy situé sur les côtes de la Mer Noire.

Commerce mondial : en 2023, sous forme anhydre.

Principaux pays exportateurs sur un total de 14,994 millions de t :

en milliers de t de NH3
Trinidad et Tobago 2 929 Algérie 863
Arabie Saoudite 2 578 Oman 706
Indonésie 1 795 Qatar 570
États-Unis 1 152 Pays Bas 436
Canada 1 063 Allemagne 403
Source : ITC

Les exportations de Trinidad et Tobago sont destinées à 26 % aux États-Unis, 21 % au Maroc, 11 % au Mexique, 7 % à la Belgique.

Principaux pays importateurs sur un total de 15,649 millions de t :

en milliers de t de NH3
Inde 2 337 Belgique 698
États-Unis 2 090 Chine 693
Maroc 1 580 Taipei chinois 555
Corée du Sud 1 102 Norvège 436
Turquie 828 France 431
Source : ITC

Les importations indiennes proviennent à 41 % d’Arabie Saoudite, 17 % d’Oman, 16 % de Bahreïn, 10 % d’Indonésie.

Par ailleurs, en 2023, le commerce international de l’ammoniac en solution aqueuse a porté sur 482 171 t.

Situation française

Production : 696 569 t, en 2023, avec une capacité de production de 1,495 million de t/an.

Usines : en t de NH3 de capacités annuelles.

Le 1er juillet 2013, la société GPN, filiale de Total, a été acquise par Borealis, société autrichienne détenue à 25 % par Mubadala, société d’Abu Dhabi et 75 % par le groupe pétrolier autrichien OMV. En juillet 2023, les activités de Borealis dans les produits azotés ont été acquises par le groupe tchèque Agrofert.

Localisation des usines françaises de production d’ammoniac

 

Commerce extérieur : en 2024.

Les exportations étaient :

  • pour l’ammoniac anhydre de 117 174 t à destination principalement de la Belgique à 37 %, de l’Allemagne à 32 %, de la Norvège à 19 %, des Pays Bas à 12 %.
  • pour les solutions aqueuses d’ammoniac de 12 848 t à destination principalement de la Suisse à 78 %, de l’Allemagne à 12 %, de l’Italie à 4 %.

Les importations s’élevaient :

  • pour l’ammoniac anhydre à 518 023 t en provenance principalement de Trinidad et Tobago à 25 %, de russie à 19 %, des Pays Bas à 16 %, d’Algérie à 14 %, d’Allemagne à 11 %, de Belgique à 9 %.
  •  pour les solutions aqueuses d’ammoniac à 73 345 t en provenance principalement de Belgique à 30 %, des Pays Bas à 25 %, d’Allemagne à 13 %, d’Espagne à 8 %.

Utilisations

Consommations : en 2023, en millions de t de NH3. Monde : 189, Union européenne, en 2017 : 20,1. Répartition :

Chine 23 % Amérique du Nord 13 %
Inde 18 % Europe 11 %
Reste de l’Asie 13 % Amérique du Sud 8 %
Source : Nutrien

En 2021, la consommation des États-Unis est de 19,4 millions de t de NH3.

Secteurs d’utilisation :

Les engrais représentent 82 % de la consommation mondiale d’ammoniac (voir ce chapitre). Il est principalement transformé en divers produits utilisés comme engrais avec, en 2020, 53 % transformé en urée, 8 % en nitrate d’ammonium, 6 % en phosphates d’ammonium, 6 % en solutions urée nitrate d’ammonium, 4 % en sulfate d’ammonium. En 2020, dans le monde, principalement aux États-Unis, l’ammoniac a été utilisé directement pour seulement 3 % de la fertilisation azotée.

Aux États-Unis, en 2024, 88 % de la consommation d’ammoniac est destinée à une utilisation sous forme d’engrais. Dans ce pays, compté en N contenu, en 2020, 25 % de la consommation d’engrais azotés est sous forme d’ammoniac anhydre, 26 % sous forme de solutions urée – nitrate d’ammonium, 25 % d’urée, 3 % de sulfate d’ammonium, 2 % de nitrate d’ammonium.
Dans l’Union européenne, en 2020-21, les nitrates représentent 47 % de la fertilisation azotée, l’urée 19 %, les solutions urée – nitrate d’ammonium 13 %.
Aux États-Unis, l’utilisation des engrais azotés est souvent réalisée directement avec de l’ammoniac (25 % de la fertilisation azotée) alors que dans d’autres régions, par exemple en Inde et en Chine, l’urée domine, avec respectivement 81 et 67 % de la fertilisation azotée ou, en Europe, le nitrate d’ammonium, avec 42 % de la fertilisation azotée.

Autres utilisations : plastiques et fibres (polyuréthane, résines urée-formol, nylon, acrylonitrile…), explosifs (NH4NO3).

Ces utilisations représentent 18 % de la consommation mondiale, à 77 % par la chimie, 17 % la fabrication d’explosifs, 5 % l’environnement.

  • NH3 est un intermédiaire dans la fabrication d’acide nitrique, d’urée, de nitrate d’ammonium, utilisés en grande partie dans les secteurs cités ci-dessus et principalement les engrais.
  • Intervient, en étant recyclé, dans le procédé Solvay de fabrication du carbonate de sodium.
  • Fluide réfrigérant : 45 t de NH3 circulent dans 80 km de canalisations pour réfrigérer la piste de bobsleigh de La Plagne (73) construite pour les Jeux Olympiques d’hiver d’Albertville de 1992. Utilisé en remplacement des CFC.
  • Utilisé pour éliminer l’aflatoxine (substance toxique) des sous-produits du pressage de l’huile d’arachide employés pour fabriquer des tourteaux pour l’alimentation animale.

Acidification des sols

En 2017, l’acidification due aux pluies provient à 62 % des émanations d’ammoniac, 30 % de celles des oxydes d’azote et 7,5 % de celles du dioxyde de soufre. En 1980, celle-ci était principalement due au dioxyde de soufre avec 54 %, puis à l’ammoniac et aux oxydes d’azote avec 23 % chaque. Entre ces deux dates on a assisté à une diminution régulière de la pollution par le dioxyde de soufre alors que celle due à l’ammoniac reste sensiblement constante.

En 2019, en France métropolitaine, les émissions d’ammoniac ont été de 592 200 t, dues, à 66 % aux déjections animales des élevages et 27 % aux apports d’engrais pour les cultures. En 1980, les émissions d’ammoniac étaient de 712 000 t.

A priori, il est surprenant que l’ammoniac joue un rôle, non négligeable, sur l’acidification due aux pluies. En effet le pKa du couple NH4+/NH3 est de 9,2 et en conséquence, l’ammoniac est une base faible. Lors de l’épandage d’engrais, en particulier d’urée qui libère de l’ammoniac lors de son hydrolyse, une partie de celui-ci est libérée dans l’atmosphère et dans un premier temps peut neutraliser l’acidité des pluies en formant des ions NH4+ lors de sa dissolution. Toutefois, la formation d’ion ammonium (NH4+) contenu dans les pluies et la présence de celui-ci lors d’épandage d’engrais le renfermant, par exemple les ammonitrates, se traduit, dans les sols, par une action de nitrification qui, à l’aide de bactéries contenues naturellement dans les sols, produit des ions nitrate mais aussi des ions H+, selon les réactions suivantes :

2 NH4+ + 3 O2 = 2 NO2– + 2 H2O + 4 H+

2 NO2– + O2 = 2 NO3–

Bibliographie

Archives

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Diazote

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Distance interatomique
N2 28,013 g.mol-1 109,76 pm

Données physiques

Masse volumique Température de fusion Température de sublimation Température critique Pression critique Température  point triple Pression point triple Conductibilité thermique Solubilité dans l’eau
  • gazeux, 15°C, 101,3 kPa : 1,1848.10-3 g.cm-3
  • liquide, à -195,8°C : 0,8081 g.cm-3
  • solide, à -252,5°C : 1,026 g.cm-3
 -209,86°C -195,8°C -146,96°C  3 396 kPa -210°C 12,5 kPa 0,02598 W.m-1K-1
  • à 0°C : 2,3 cm3/100 g eau
  • à 40°C : 1,4 cm3/100 g eau

Données chimiques

Potentiels standards :

H2N2O2 + 2H+ + 2e = N2(g) + 2H2O E° = 2,65 V
N2O(g) + 2H+ + 2e = N2(g) + H2O E° = 1,77 V
N2(g) + 2H2O + 4H+ + 2e = 2H3NOH+ E° = -1,87 V
3N2(g) + 2H+ + 2e = 2HN3 E° = -3,1 V
N2(g) + 5H+ + 4e = N2H5+ E° = -0,23 V
HN3 + 3H+ + 2e = NH4+ + N2(g) E° = 1,96 V

Données thermodynamiques

Diazote gazeux :

  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 191,502 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 29,1 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 0,7 kJ.mol-1
  • Enthalpie molaire standard d’ébullition à la température d’ébullition : 5,6 kJ.mol-1

Données industrielles

État naturel

Le diazote constitue 78,08 % en volume de l’atmosphère, soit 3,9.1015 t.

Par ailleurs, l’élément azote est peu abondant dans la croûte terrestre, avec 19 ppm, où il est présent dans l’humus (qui contient environ 5 % d’azote) du sol des régions tempérées, sous forme organique (plantes et organismes vivants et morts) à raison de 1 à 10 t/ha, ou sous forme minérale (100 à 200 kg/ha, 1/5 sous forme d’ion NH4+, 4/5 sous forme d’ion NO3–), voir le chapitre engrais azotés. Sous forme organique, l’élément azote constitue environ 15 % en masse des protéines. Sous forme minérale, il est présent dans des nitrates : KNO3 (salpêtre) et NaNO3 (nitrate du Chili), des dépôts de guano (excréments d’oiseaux) et dans l’urée (voir le chapitre engrais azotés).

Fabrication industrielle

Procédé cryogénique

C’est le procédé de loin, à 80-90 %, le plus utilisé.

Il est basé sur la séparation des différents constituants de l’air (voir le chapitre consacré au dioxygène), dans une colonne de rectification, en fonction de leur température d’ébullition (diazote : -196°C, dioxygène -185°C). L’air, comprimé sous 4 à 7 bar et purifié, est refroidi jusqu’à liquéfaction et les différents constituants séparés dans la colonne de rectification par distillation fractionnée. Ce procédé est bien adapté aux consommations supérieures à 200 m3/h nécessitant une pureté élevée, jusqu’à 99,999 % avec moins de 1 ppm de O2. Les capacités de production, par installation, peuvent dépasser 7 000 t/jour.

Procédés non-cryogéniques

Le diazote, lorsque les débits désirés sont faibles (inférieurs à 5 000 m3/h) et la pureté un critère non important, peut être produit à l’aide d’un procédé non cryogénique. Toutefois, pour des débits très faibles (< 100 m3/h), qui peuvent également être obtenus par un procédé non cryogénique, les bouteilles de gaz comprimé ou le gaz liquéfié sont les plus utilisés. Voir plus loin le schéma.

La production de diazote, par procédé non cryogénique, est plus intéressante que la production de dioxygène. En France, Air Liquide approvisionne, 20 % du marché du diazote à l’aide de procédés non cryogéniques. Le procédé actuellement le plus utilisé est la perméation gazeuse.

Perméation gazeuse : c’est un procédé simple et continu.

Le procédé utilise les différences de vitesses de diffusion des molécules de gaz à travers une membrane. La membrane de polymère d’une épaisseur inférieure à 10 micromètres est fixée sur un support tubulaire. Ces tubes sont réunis en faisceau dans un module renfermant plusieurs milliers de m2 de membrane par m3 d’installation. O2, H2O et CO2 diffusent plus rapidement que N2 à travers les membranes (O2 2 à 8 fois plus vite que N2, H2O, 100 fois plus vite que O2). Le diazote obtenu est sec (avec environ 1 ppm de H2O) et quasiment dépourvu de CO2 (avec environ 1 ppm de CO2). La pureté du diazote obtenu varie de 95 à 99,5 % avec des débits variant entre 3 et 1 000 m3/h. De hautes puretés peuvent être obtenues en effectuant en plus une désoxydation par réaction catalytique de O2 avec H2. Utilisée pour produire du diazote, cette technique n’est pas, actuellement, employée pour produire du dioxygène pur mais seulement de l’air enrichi (à 30-40 %) en dioxygène.

Procédé PSA (Pressure Swing Adsorption)

Il utilise les différences de cinétique d’adsorption sous pression et de désorption des molécules du gaz à purifier par un substrat spécifique. L’adsorbant utilisé, le charbon actif (qui adsorbe plus rapidement O2 que N2) a la capacité de fixer de façon réversible le dioxygène, l’humidité et le dioxyde de carbone contenus dans l’air sous pression. La capacité d’adsorption d’un lit de charbon actif est limitée et lorsque le lit est saturé il faut le régénérer. Cette régénération est effectuée par rétrobalayage à pression atmosphérique de ce lit de charbon actif : les impuretés (dioxygène, eau, dioxyde de carbone) fixées sont alors désorbées du charbon actif et évacuées. Une unité PSA est constituée de 2 lits de charbon actif ce qui permet d’enchaîner ces 2 étapes adsorption – régénération de façon cyclique. Ce procédé est surtout utilisé pour la production de diazote de pureté assez élevée (95 à 99,9 %) et de débit important (compris entre 1 000 et 2 000 m3/h).

Choix des diverses sources d’approvisionnement

En fonction de la pureté et du débit souhaités.

Conditionnement et distribution

Identiques à celui du dioxygène, voir ce chapitre : en bouteille de diazote comprimé sous 200 bar, sous forme liquide, au moyen d’unités à membranes ou cryogéniques sur sites ou par gazoduc.

Productions

En 2023, la production de l’Union européenne est de 35 millions de t* dont :

en milliers de t
Allemagne, en 2022 8 808 Belgique 2 453
Pays Bas 4 784 Espagne 1 984
France 4 430 Pologne 1 533
Italie 2 718 République tchèque 1 135

Source : statistiques Prodcom de l’Union européenne

* Les données statistiques de l’Union européenne sont exprimées en m3, dans les conditions normales (0°C, 1,013 bar), dans ces conditions la masse volumique du diazote est de 1,2501 kg.m–3.

En 2020, la production du Japon est de 17,644 millions de t.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs :

en tonnes
Belgique 627 714 Autriche 77 958
Allemagne 181 881 Italie 50 430
France 145 048 Suisse 36 316
Canada 112 052 Serbie 27 657
République tchèque 92 389 Singapour 22 728

Source : ITC

Les exportations belges sont destinées à 86 % aux Pays Bas, 12 % à la France.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
Pays Bas 300 639 Belgique 50 103
Allemagne 189 335 Danemark 47 912
Canada 148 301 Slovénie 41 892
Slovaquie 90 592 Luxembourg 35 430
France 81 104 Autriche 40 036

Source : ITC

Les importations des Pays Bas proviennent 92 % de Belgique, 7 % d’Allemagne.

Principaux producteurs mondiaux :

  • Linde : AGA (Suède) et BOC (Royaume-Uni) ont été racheté par Linde respectivement en 2000 et 2006. La fusion entre Linde et Praxair est effective depuis fin 2018. Le groupe après fusion est devenu n°1 mondial des gaz industriels avec environ 24 % du marché, suivi par Air Liquide avec 18 %, Air Products avec 7 %. Les utilisations captives représentant 31 %.
  • Air Liquide : avec, en 2020, 373 grandes unités cryogéniques de séparation des gaz de l’air, dont 22 en Allemagne. En mai 2016, Air Liquide a finalisé l’acquisition du groupe américain Airgas.
  • Air Products : exploite, dans le monde, plus de 300 grandes unités cryogéniques de séparation des gaz de l’air.
  • Autres producteurs importants : Taiyo Nippon Sanso (filiale de Mitsubishi Chemical, Japon), Messer (Allemagne), Yingde (Chine), Hangyang (Chine).

Situation française

Production : elle est, en 2023, de 4 430 000 t.

Commerce extérieur : en 2024.

Les exportations étaient de 109 869 t avec comme marchés principaux à :

  • 59 % l’Allemagne,
  • 18 % le Luxembourg,
  • 7 % la Belgique.

Les importations s’élevaient à 42 640 t en provenance principalement à :

  • 41 % de Belgique,
  • 22 % d’Allemagne.

Producteurs :

  • Air Liquide : 14 usines cryogéniques de séparation des gaz de l’air, en métropole et une usine à Kourou, en Guyane. Les usines de métropole sont située à :
    • Moissy-Cramayel (77)
    • Montoir-de-Bretagne (44)
    • Sandouville (76)
    • Pardies (64)
    • Lacq (64)
    • Tarnos (40)
    • Richemont (57)
    • Fos Tonkin (13)
    • Fos Audience (13)
    • Pierrelatte (26)
    • Feysin (69)
    • Jarrie (38)
    • Tavaux (39)
    • Dunkerque (59).
  • Air Products : à Schiltigheim (67), L’Isle d’Abeau (38), en association avec Messer et possède une participation de 50 % dans la société Soprogaz, en association avec Messer, qui exploite une usine à Beauvais (60).
  • Messer : à Beauvais (60), en association avec Air products et Saint-Herblain (44), en association avec Linde. A repris, en mars 2014, les activités françaises de Praxair, avec les unités de production de Creil (60), L’Isle d’Abeau (38), en association avec Air Products et Strasbourg (67).
  • Linde : usines de production à Salaise sur Sanne (38) et Montereau (77) ainsi qu’à Saint-Herblain (44), en association avec Messer.

Utilisations

Principalement comme matière première pour la production d’ammoniac, acide nitrique, urée, nitrate d’ammonium, composés utilisés principalement pour fabriquer des engrais azotés (voir les chapitres consacrés à ces produits). Pour l’élaboration de ces composés, le diazote est directement extrait de l’air, sans séparation préalable.

Le diazote, après séparation de l’air, est principalement utilisé comme gaz inerte :

  • Atmosphère inerte : dans le cas de risques d’incendie, explosion ou oxydation des produits, en sidérurgie, métallurgie, chimie, pétrochimie, industrie verrière, conservation des aliments (conditionnement de salades en sachets, du lait en poudre, du café soluble, des steaks hachés en barquettes, protection des vins en cuves, stockage de la luzerne après séchage…)… Par exemple, avant la mise en service du Nord Stream Pipeline destiné à acheminer du gaz naturel russe de Vyborr en Russie jusqu’à Lubmin, en Allemagne, sur 1 224 km, il a été nécessaire de purger le gazoduc de l’air contenu. Pour cela, il a fallu injecter du diazote avec un débit de 14 000 m3/h pendant une semaine. Le diazote a été acheminé sous forme liquide puis a été vaporisé à 40°C.
  • Fluide de dégazage et de brassage inerte : en métallurgie (Al), industries alimentaires (dégazage des liquides)…
  • Associé à l’argon et/ou au dioxyde de carbone dans des installation automatique d’extinction d’incendies (voir ces chapitres).
  • Fluide de purge pour régénérer les catalyseurs, pour purger les navires méthaniers…
  • Pressurisation des circuits primaires et secondaires des réacteurs nucléaires à eau sous pression (PWR) afin d’en chasser le dihydrogène dissous.
  • Gonflage de pneumatiques.
  • Dans l’industrie du verre pour la protection contre l’oxydation du bain d’étain, en combinaison avec le dihydrogène, sur les lignes de fabrication du verre flotté.

Autres utilisations :

  • Le diazote ultra pur (moins de 1 ppb – 1/109 – d’impuretés) est employé en électronique comme gaz vecteur de silane et des divers gaz apportant les éléments dopants. En électronique, le diazote est utilisé, en remplacement de CFC, lors du brasage de cartes. Par exemple, Air Liquide approvisionnera la société BOE, principal fabricant chinois d’écrans plats, avec 50 000 m3/h d’azote ultra pur, pour ses usines d’Ordos, en Mongolie Intérieure et Hefei, dans la province d’Anhui.
  • Dans la récupération assistée du pétrole et du gaz naturel. Par exemple, Linde a construit, à Mirfa, à Abu Dhabi, 2 usines de séparation cryogéniques des gaz de l’air avec une production de 670 000 m3/h de diazote destiné à la récupération de gaz naturel.
  • Avec CO2 pour la mise sous pression de la bière dans les pub anglais.
  • Les airbags sont actuellement, en général, gonflés à l’aide de diazote provenant de la décomposition d’azoture de sodium (NaN3, environ 150 g par airbag).

2 NaN3 = 2 Na + 3 N2

La présence de KNO3 et de SiO2 permet d’oxyder Na en Na2O et de fixer par SiO2 les oxydes alcalins formés en donnant des silicates alcalins. NaN3 étant toxique, d’autres sources gazeuses sont en cours de développement : propergols utilisés dans la propulsion de missiles, cartouches de gaz (He, Ar ou N2) comprimé à 250 bar.

Utilisations du diazote liquide : elles représentent environ 15 % des utilisations, avec, en 2016, une consommation mondiale de 7,87 millions de t.

  • Source de diazote gazeux pour la distribution en vrac par des centres de conditionnement et des utilisations ponctuelles.
  • Cryoébarbage des matériaux mous (plastiques, caoutchouc) : N2 liquide fragilise les bavures qui sont ensuite éliminées par entrechoquement ou grenaillage.
  • Cryobroyage des pneus : les pneus sont déchiquetés en morceaux puis broyés, après passage dans un tunnel de congélation où ils sont refroidis vers -80°C à l’aide de N2 liquide. Les composants du pneu : caoutchouc-acier-textile peuvent être ainsi séparés.
  • Cryobroyage d’emballages métalliques : l’azote liquide permet de séparer les revêtements (colle, peinture, huile) des emballages, en les fragilisant et ainsi de faciliter le tri et la récupération du métal.
  • Pour faciliter des assemblages mécaniques.
  • Marquage du bétail.
  • Congélation des sols, par exemple pour la construction de la station de métro Saint Michel, à Paris, ou de la Cité mondiale des vins, à Bordeaux (2 millions de litres de diazote liquide ont été utilisés pour congeler l’eau du sol et ainsi édifier un mur de glace autour du chantier). Dans le sol à congeler sont introduits des tubes de cuivre d’environ 5 cm de diamètre placés tous les 0,5 à 0,8 m. Autour des tuyaux, le sol est congelé sur un rayon d’environ 1 m en 4 à 7 jours. Lors du refroidissement la consommation est de 1 500 à 2 500 L/m3 de sol puis, lors du maintien en température, de 90 L/j pour un m3 de sol.
  • Conservation des tissus vivants, du sang, du sperme…
  • Surgélation des aliments fragiles tels que fraises, homards, champignons (cèpes, girolles)…, qui plongés dans le diazote liquide refroidissent très rapidement en évitant la formation de cristaux de glace.
  • Surgélation rapide de la surface d’aliments (croûtage), par exemple de pâtisseries.
  • Utilisation d’une petite quantité d’azote liquide lors de la mise en boîtes métalliques de boissons non gazeuses. Le diazote est destiné à assurer une pression interne suffisante dans la boîte-boisson pour que cette dernière résiste mécaniquement et se comporte de la même façon que les boîtes de boissons gazeuses, la pression étant assurée dans ce cas par le CO2.
  • Amélioration du vide par piégeage cryogénique.
  • Piégeage et récupération cryogénique de composés organiques volatils.
  • Essais en soufflerie effectués à -170°C sur des modèles réduits.
  • Effets scéniques : formation de nuages par condensation de l’humidité atmosphérique.

Bibliographie

Archives

Diazote 2023

Diazote 2022

Diazote 2019

Diazote 2015

Diazote 2014

Diazote 2012

Diazote 1996

Diazote 1992

 

Fer-blanc

Données industrielles

Composition

Le fer-blanc est un produit en acier doux ou extra doux laminé (la teneur en carbone est inférieure à 0,08 %) recouvert d’une couche d’étain. Le fer-blanc, obtenu par voie électrolytique, est constitué de plusieurs couches. En partant du cœur dans le cas d’un fer blanc d’épaisseur de 0,2 mm avec 5,6 g de Sn/m2 sur une face on a :

Composition Épaisseur, en nanomètres Masse en g/m2
Acier doux Fe 200 000
Solution solide Sn dans Fe 100
Alliage fer-étain FeSn2 100 0,6
Étain libre Sn 700 5,0
Couche passive Cr et oxydes de Cr et Sn 2 0,002 de Cr
Film d’huile dioctylsébaçate (DOS) 5 0,003 à 0,006

 

A l’extérieur des boîtes en fer-blanc, l’étain joue seulement un rôle de barrière physique à la corrosion de l’acier. La présence de rayures traversant la couche d’étain entraînera la formation de rouille en présence de l’air atmosphérique, en accord avec les potentiels standards des couples Sn2+/Sn (-0,14 V) et Fe2+/Fe (-0,44 V). Cette corrosion qui a un effet esthétique préjudiciable n’a toutefois pas, en général, de conséquence sur la qualité des produits renfermés dans la boîte.

A l’intérieur de la boîte, milieu hermétiquement clos, en l’absence de dioxygène, en présence d’aliments et d’une solution riche en complexants de l’étain, le comportement électrochimique de la pile étain-fer est modifié et à l’inverse de ce que prévoient les valeurs des potentiels standards des couples redox, l’étain se comporte, en général, comme une anode sacrificielle assurant une protection cathodique du fer. Même en présence de rayures de l’étain, le fer est protégé de l’oxydation et c’est l’étain qui s’oxyde. Par contre dans le cas des boissons carbonatées, la pile Sn-Fe fonctionne dans le sens habituel et l’acier est rapidement attaqué.

De plus, la protection intérieure des boîtes de conserve est renforcée par la présence d’un vernis, le plus courant étant époxyphénolique avec une épaisseur de 5 μm. La blancheur des vernis est obtenue par ajout de dioxyde de titane ou d’alumine. Cette protection intérieure n’est pas systématique. Les boîtes de fruits, de champignons, par exemple, sont souvent nues, permettant ainsi à l’étain de jouer son rôle antioxydant.

Différents types : ils sont fonction des taux d’étamage qui sont identiques ou différents sur les deux faces. Les taux les plus courants varient de 1,0 à 8,4 g/m2.

Actuellement, des feuilles d’acier de 0,09 mm commencent à être utilisées, ainsi que des quantités déposées d’étain réduites à 0,5 g/m2. De 1974 à 2014, l’épaisseur moyenne des boîtes a diminué de 0,234 mm à 0,13 mm.

Produits assimilés : le fer blanc, le fer chromé et le fer noir constituent les aciers pour emballages, le fer blanc représentant plus de 80 % de la production d’aciers pour emballages.

  • Fer chromé (ECCS : Electrolytic Chromium/oxide Coated Steel ou TFS : Tin Free Steel) : certaines lignes électrolytiques peuvent permettre de fabriquer du fer blanc ou du fer chromé. L’acier de base est le même, mais au lieu d’être revêtu d’étain, il est recouvert de chrome (épaisseur : 10 nm, 60 mg/m2), d’oxyde de chrome (épaisseur : 5 nm, 15 mg/m2) et d’huile (3-6 mg/m2). Il doit obligatoirement être verni sur les deux faces.
  • Fer noir : c’est la bande d’acier avant étamage qui peut être utilisée directement pour quelques applications par exemple pour les bidons d’huile automobile.

Fabrication industrielle

Préparation de l’acier :

La coulée continue de l’acier fournit des brames qui sont laminées à chaud jusqu’à atteindre une épaisseur de l’ordre de 2 mm. La couche d’oxyde est enlevée par décapage à l’acide chlorhydrique (l’attaque dure 30 s). Après lavage et séchage, la bande d’acier est laminée à froid, en passant entre plusieurs jeux de cylindres (cages), jusqu’à 0,20 mm, par exemple. La vitesse de défilement de la bande peut atteindre 110 km/h. Après dégraissage, le métal qui est fortement écroui par le laminage, est recuit à 630°C en étant protégé de l’oxydation par du diazote ou du dihydrogène. La durée du recuit dépend du procédé utilisé (3 minutes en recuit continu, 72 heures pour la filière recuit base). Un léger laminage à froid (skin-pass) permet un écrouissage de surface améliorant les qualités mécaniques. Lorsque la réduction d’épaisseur est poussée jusqu’à 30 %, ce dernier laminage permet d’obtenir des bandes d’épaisseur de 0,10 mm. L’acier ainsi obtenu est alors appelé « double réduction ». Avant étamage, la surface de la bande subit un dégraissage puis un décapage à l’acide sulfurique. L’acier avant étamage est appelé fer noir.

La consommation d’acier dans ce secteur est, dans l’Union européenne, d’environ 3 millions de t/an.

Étamage électrolytique : le procédé le plus utilisé, en France, est le procédé acide Ferrostan.

La bande à étamer sert de cathode, l’anode est constituée par des barres de 47 kg d’étain pur, qui alimentent en ions Sn2+ l’électrolyte. L’électrolyte est composé d’acide 4-hydroxybenzènesulfonique (HO-C6H4-SO3H) et de divers produits d’addition. Le dépôt électrolytique s’effectue en continu, la bande passant dans une succession de bacs d’électrolyse, à 35-40°C, dans lesquels l’étain se dépose.

Les autres procédés utilisent d’autres compositions d’électrolyte : bains alcalins (stannates alcalins), bains à base d’halogénures.

Brillantage, passivation : après rinçage, le fer-blanc subit une refusion vers 300°C où il prend un aspect brillant et au cours de laquelle, se forme l’alliage FeSn2 à l’interface Fe-Sn, par diffusion de Sn dans l’acier. Le chauffage est effectué par conduction (effet Joule) ou par induction. Afin d’éviter l’oxydation de l’étain, une passivation chimique est réalisée dans une solution de dichromate de sodium (20-30 g/L à 50°C) qui donne un dépôt d’oxyde de chrome de 0,10 μg/cm2 qui permet une bonne adhérence des vernis mais ne protège pas de la sulfuration. La passivation électrolytique avec polarisation cathodique de la bande, toujours dans une solution de dichromate de sodium, permet un dépôt de chrome métallique qui améliore la résistance à la sulfuration.

Le dichromate de sodium (Na2Cr2O7) présente l’inconvénient de renfermer du chrome sous forme de chrome VI, cancérigène. Afin d’éviter son utilisation, une alternative (Chrome Free Passivation Alternative – CFPA), est en cours de préparation. Chaque producteur européen a converti une ligne de production et l’ensemble des lignes devrait être converti avant 2023. La solution d’ions dichromate est remplacée par une solution d’ions hexafluorotitanate – (F6Ti)2- et d’ions hexafluorozirconate – (F6Zr)2- qui donnent un dépôt d’oxydes de titane et de zirconium.

Une couche d’huile, monomoléculaire, en général de dioctylsébaçate (DOS), permet de réduire les dommages créés par abrasion. Le vernis est, en général, appliqué après l’impression des motifs et avant la fabrication des boîtes. Les plus utilisés sont les vernis époxyphénoliques avec des épaisseurs de 5 μm, la cuisson s’effectue, en général, à 200-210°C pendant 15 minutes.
Dans le cas de l’acier destiné à la fabrication des boîtes-boisson, l’étain ne subit pas, en général, de refusion. Son rôle principal est d’assurer une lubrification lors de l’emboutissage des boîtes.

A l’usine ArcelorMittal de Florange une ligne de vernissage en bande (VEB) permet de cuire à 300-400°C, par induction, en 2 secondes, le vernis de la bande qui défile à une vitesse de 250 m/min. Une bobine de 14 t (10 km de long) est cuite en 40 minutes.

Recyclage

Les aciers pour emballages (contenant 99,7 % de fer) sont ferromagnétiques et donc très facilement récupérés par triage magnétique des ordures ménagères. Dans l’Union européenne plus la Norvège et la Suisse, en 2019, le taux de recyclage est de 84 %, avec plus de 2,7 millions de t d’aciers pour emballage recyclées. Il est de 98,9 % pour la Belgique, 95,6 % pour les Pays Bas, 92,4 % pour l’Allemagne, 90,6 % pour la France. En 2015, il est de 71 % pour les États-Unis et en 2018, de 92,0 % pour le Japon. Cet acier recyclé entre dans les ferrailles utilisées par la sidérurgie.

En France, en 2012, le recyclage d’acier provenant d’emballages a été de 407 035 t. En 2011, 104 000 t d’acier provenaient de la collecte sélective.
Aux États-Unis, en 2012, le recyclage a porté sur 1,3 million de t soit 21 milliards de boîtes.

Productions

D’aciers pour emballages, en 2017. Monde : 16 millions de t. Union européenne, en 2018 : 2,787 millions de t.

en milliers de t
Chine, estimation en 2013 3 000 Corée du Sud 756
Japon 1 622 Espagne 706
Allemagne, en 2015 1 338 Brésil 525
États-Unis 1 311 France 524
Pays Bas 809 Royaume Uni 396

Source : Worldsteel, Steel Statistical Yearbook

Dans l’Union européenne la production d’aciers pour emballages (fer blanc et fer chromé) est réalisée dans 7 pays : Allemagne, Pays Bas, France, Espagne, Royaume Uni, Slovaquie et Belgique.

Au Japon, en 2014, la production de fer-blanc est de 865 000 t, celle de fer chromé, en 2013, de 709 000 t.

Producteurs :

  • Nippon Steel  (Japon) produit des aciers pour emballage au Japon, à Yawata, Hirohata et Nagoya ainsi qu’à travers des joint-ventures, en Chine, à Guangzhou, 200 000 t/an et à Wuhan, 400 000 t/an, en Indonésie, à Cilegon, 160 000 t/an, en Thaïlande, à Map Ta Phut, 150 000 t/an.
  • US Steel (États-Unis) a produit, en 2019, 1,092 million de t d’aciers pour emballages, aux États-Unis (642 000 t) dans l’Indiana, à Gary, Portage et Chicago, en Californie, à Pittsburg et en Europe (440 000 t), à Kosice, en Slovaquie.
  • ArcelorMittal, avec, en 2020, 15 unités de production de fer blanc et 2 de fer chromé possède une capacité mondiale de production de 3,1 millions de t/an de fer blanc et 400 000 t/an de fer chromé et a produit, en 2020, 1,7 million de t. En Europe, le groupe possède 5 sites de production avec une capacité de 2,0 millions de t/an, en Espagne à Avilès avec 2 lignes de production de fer blanc de 400 000 t/an et à Etxebarri, 350 000 t/an, en France, à Basse Indre (44), 410 000 t/an et Florange (57), 450 000 t/an, en Belgique, à Liège. Possède également 3 usines en Amériques avec une capacité de 800 000 t/an dont, aux États-Unis, à Weirton en Virginie Occidentale, au Canada, à Hamilton, dans l’Ontario, avec 291 000 t/an. Exploite également des sites de production à Vanderbijilpark, en Afrique du Sud et Temirtau, au Kazakhstan avec une capacité de 800 000 t/an.
  • ThyssenKrupp (Allemagne) avec sa filiale, Rasselstein, produit 1,5 million de t/an à Andernach, en Allemagne.
  • Baowu (Chine), produit 1,2 million de t/an de fer blanc.
  • Tata Steel (Inde) produit 1,2 million de t/an, en Inde, à Jamshedpur, et en Europe, aux Pays Bas, à IJmuiden, au Royaume Uni, à Trostre, au Pays de Galles, en Norvège et en Belgique.

Situation française

En 2024.

Production : livraisons d’aciers pour emballages : 524 000 t, en 2017.

Commerce extérieur :

Les exportations de fer blanc étaient de 192 622 t avec comme marchés principaux à :

  • 25 % l’Allemagne,
  • 25 % l’Italie,
  • 15 % les Pays Bas,
  • 8 % la Hongrie,
  • 5 % la Pologne.

Les importations s’élevaient à 121 917 t en provenance principalement à :

  • 34 % d’Allemagne,
  • 23 % d’Espagne,
  • 13 % de Chine,
  • 11 % des Pays Bas,
  • 5 % d’Italie.

Producteur : un seul producteur : ArcelorMittal avec 4 lignes d’étamage :

  • 2 lignes, d’une capacité de 450 000 t/an, à Florange près de Thionville (57).
  • 2 lignes, d’une capacité de 410 000 t/an, à l’usine de Basse Indre près de Nantes (44).

Utilisations

Consommations : dans le monde : 14 millions de t.

Secteurs d’utilisation : en 2010, en Europe, pour l’ensemble des aciers pour emballages.

Boîtes appertisées 54 % Couvercles 9 %
Boîtes diverses 14 % Aérosols 8 %
Boîtes boisson 12 % Autres 3 %

Source : APEAL

En 2017, en France, la production d’emballages métalliques a été de 498 500 t dont 309 700 t en acier et 188 800 t en aluminium. Sur ce total, la production d’emballages pour conserves appertisées a été de 179 300 t en acier et de 33 000 t en aluminium, celle pour conserves non appertisées de 26 900 t, celle pour aérosols de 61 300 t dont 25 100 t en acier et 36 200 t en aluminium et, en 2016, celle pour applications industrielles de 17 000 t en acier et 18 500 t en aluminium.
Les exportations ont été de 177 900 t dont 67 800 t d’emballages en acier et 110 100 t d’emballages en aluminium.

Boîtes appertisées

Nicolas Appert, industriel français, a découvert, vers 1800, le procédé de conservation des aliments par chauffage, au bain-marie, dans des récipients hermétiquement clos. Il répondait à une offre de prime de 12 000 Francs du Directoire pour la personne qui parviendrait à mettre au point une méthode de conservation fiable des aliments destinés aux armées. Cette méthode de conservation est depuis appelée appertisation. Ce n’est que vers 1860 que Pasteur a démontré scientifiquement le rôle de l’appertisation par la destruction des micro-organismes pathogènes à haute température. Initialement en verre, les récipients utilisés par Appert ont été, dès 1815, remplacés par le fer-blanc à la suite du brevet de l’anglais Peter Durand.

Actuellement, en France, 30 variétés de légumes sont disponibles en conserve, soit plus de 1,5 million de t et 15 variétés de fruits (400 000 t).

Pour les petits formats de boîtes, < 0,5 kg, la boîte appertisée est généralement constituée d’un corps embouti fermé par un couvercle à ouverture facile ou un fond, fixé par sertissage mécanique. La boîte n’ayant pas besoin d’être soudée, l’acier utilisé est du fer chromé verni.

Pour les autres formats et en particulier lorsque la hauteur est nettement supérieure au diamètre, l’emboutissage n’est plus possible et le corps est un flan de fer-blanc roulé et soudé électriquement.

La production française de boîtes de conserve appertisées a été, en 2017, de 212 300 t dont 179 300 t en acier et 33 000 t en aluminium. Les exportations ont été de 47 100 t dont 34 500 t en acier et 12 600 t en aluminium. Les importations de boîtes en acier ont été de 41 100 t principalement, à 70,3 %, d’Espagne.

Boîtes-boisson

La boîte est fabriquée en 2 pièces : le fond et le corps étant obtenus à partir d’une même feuille. Ces boîtes sont soit embouties-réembouties (même épaisseur des parois et du fond) soit embouties-repassées (le fond garde l’épaisseur de la feuille de départ : 0,20 mm, les parois deviennent très minces : 0,07 mm). Ces dernières boîtes sont utilisées pour les boissons gazeuses, la pression interne de la boisson (2 à 7 bar) assurant la rigidité des parois.
Dans le monde, elles sont à 90 % en aluminium et 10 % en acier.
Une boîte en aluminium pèse 13,3 g, l’épaisseur de la paroi est de 100 μm. Une boîte en fer blanc pèse 23 g, l’épaisseur est de 70 μm. De 1984 à 1989, le poids moyen des boîtes de boisson a été réduit de 15 % puis, de 1991 à 1994, de 30 %.
Les couvercles à « ouverture facile » pour boîte boisson ont pendant longtemps été en aluminium. Toutefois, des produits en acier commencent à apparaître.
Les cadences de production atteignent jusqu’à 2 000 boîtes/min par ligne de production, soit plus de 1 milliard de boîtes/an.

Producteurs mondiaux :

  • Ball Packaging (États-Unis) possède en Amériques, 18 usines de production de boîtes boisson aux États-Unis, 9 au Brésil, 2 au Mexique, 1 au Canada, en Argentine, au Paraguay et au Chili avec, en 2019, une production de 66 milliards de boîtes. Ainsi que 2 usines en Inde, 1 en Birmanie, en Égypte, en Inde, en Arabie Saoudite, en Turquie et dans l’Union européenne, 16 usines et une part de marché, en Europe, de 43 %, en 2020, avec de plus des usines en Russie, Serbie et Suisse.
    En juin 2016, Ball Packaging a acquis la société Rexam et a cédé une partie de ses unités de production et de celles de Rexam (12 en Europe, 8 aux États-Unis, 2 au Brésil) au groupe Ardagh. En Amérique du Nord, sur une production totale de 121 milliards de boîtes, sa part de marché est de 42 %.
  • Crown (États-Unis) possède 12 usines aux États-Unis, 2 au Canada, 6 usines au Brésil et au Mexique, 9 usines dans l’Union européenne, 3 usines en Chine, 4 usines au Vietnam, 2 usines en Arabie Saoudite, au Cambodge et en Turquie, 1 usine en Colombie, Jordanie, Tunisie, Dubaï, Malaisie, Birmanie, Singapour, Thaïlande, Indonésie.
  • Ardagh : suite à l’acquisition de Rexam par Ball Packaging, Ardagh a récupéré en Europe, 10 usines de Ball dont celle de La Ciotat, en France et 2 de Rexam, aux États-Unis, 8 usines de Rexam et au Brésil, 2 usines de Ball. En 2020, possède 23 usines de production dont 8 aux États-Unis, 4 en Allemagne, 3 au Brésil et au Royaume Uni, 1 en Autriche, en France, aux Pays Bas, en Pologne et en Espagne.
  • Toyo Seikan (Japon), possède 11 usines au Japon, 3 en Chine et en Thaïlande, 1 au Vietnam.
  • Can Pack (Pologne) possède 6 usines dans l’Union européenne, 2 usines en Russie et 1 en Égypte, Maroc, Inde, Dubaï. En 2017, a inauguré une usine à Helmond, aux Pays Bas, avec 2 lignes de production de 2 milliards/an de boîtes en aluminium. En 2020, possède, avec 18 usines, une capacité de production de 27 milliards de boîtes-boisson.

Situation française :

En France, la première unité de production de boîtes a été implantée en 1985 par la Sofreb (aujourd’hui Crown Bevcan) à Custines (54) en utilisant le fer-blanc produit par l’usine Sollac de Mardyck reconvertie actuellement dans la production d’acier galvanisé. La capacité de production de boîtes de l’ensemble des producteurs est, en 2016, de 5,6 milliards d’unités et 10 milliards de couvercles.

  • Crown Bevcan exploite une usine de production de boîtes à Custines (54) avec 2 lignes de boîtes en acier converties, en 2017, en lignes en aluminium,
  • Ball Packaging une usine de boîtes en acier à Bierne (59) avec 3 lignes de production et une usine de couvercles à Mont (64),
  • Ardagh une usine de boîtes en aluminium à La Ciotat (13) avec 2 lignes de production. En 2015, les ventes ont été de 5,1 milliards de boîtes, à 33 % destinées à renfermer de la bière.

Consommation de boîtes de boisson : en 2018. Monde : 335 milliards de boîtes (360 milliards, en 2020), Union européenne, en 2013 : 58,8 milliards.

  • États-Unis : 95 milliards totalement en aluminium.
  • Japon : 30 milliards dont 11,2 milliards d’unités en acier.
  • Chine, en 2020 : 44 milliards.
  • Brésil, en 2020 : 33 milliards.
  • Mexique, en 2020 : 15 milliards.
  • Royaume-Uni : 9,8 milliards.
  • Espagne : 6,8 milliards.
  • Russie : 5,4 milliards.
  • Pologne : 5,1 milliards.
  • Pays Bas : 4,7 milliards.
  • France : 5,1 milliards.
  • Allemagne : 4,1 milliards.

Évolution de la consommation de boîtes-boisson en Europe (y compris Turquie et Russie) : 15 millions de boîtes en 1987, 32 milliards en 1996, 64 milliards en 2015.

Générateurs aérosols

En 2020, la production mondiale de générateurs aérosols, en fer blanc ou en aluminium, est d’environ 16 milliards d’unités dont 5,271 milliards d’unités en Europe, 3,752 milliards aux États-Unis, 2,715 milliards d’unités en Chine, 1,502 milliard d’unités au Royaume Uni, 1,080 milliard d’unités au Brésil, 0,765 milliard d’unités en Argentine, 0,644 milliard d’unités au Mexique, 0,505 milliard au Japon.
Dans l’Union européenne, les principaux producteurs sont, en 2020, l’Allemagne avec 1,038 milliard d’unités, la France avec 0,648 milliard d’unités, l’Italie avec 0,495 milliard d’unités.
Ils sont utilisés, en Europe, à 54,4 % pour les soins personnels, 23,5 % pour des produits d’entretien, 9,01 % pour l’automobile et les applications industrielles, 5,68 % pour les peintures et vernis, 4,45 % pour des aliments, 2,96 % pour les produits pharmaceutiques et vétérinaires.

En France, sur une production totale, en 2018, de 696 millions d’unités, hors verre et plastique, la part de l’aluminium est de 61 %, celle de l’acier de 39 %, avec 444,5 millions d’unités pour les produits pour le corps (76,5 % aluminium, 23,5 % acier) et 72,9 millions d’unités pour les produits d’entretien (2,7 % aluminium, 97,3 % acier).

Bibliographie

Archives

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Verres

Données industrielles

Les verres existent naturellement (ils se sont formés lors du refroidissement brusque de lave fondue pour les obsidiennes ou par impact de météorites pour les tectites), mais ce sont principalement des matériaux artificiels. Les verres inorganiques sont, pour 95 % de la production industrielle, des verres constitués de silicates (verres d’oxyde).

Des verres métalliques peuvent être obtenus par trempe ultra-rapide (1 million de °C/s) de métal fondu. Ce chapitre ne les concerne pas. Il ne concerne pas également les verres organiques.

Matières premières

Le mélange de matières premières est appelé « composition ».

Exemple de composition d’un mélange destiné à élaborer des verres plats.

Sable 60 % Calcaire 5 %
Na2CO3 19,5 % Divers 3,5 %
Dolomie 12 %
  • Des sables à plus de 99 % de SiO2 apportent la silice (qui joue le rôle d’oxyde formateur de réseau) qui entre à environ 72 % dans la composition d’un verre courant après fabrication. Des sables plus purs (sable de Fontainebleau) contenant de faibles teneurs d’impuretés (< 0,02 % d’oxyde de fer) sont réservés à l’élaboration des verres d’optique et de la cristallerie.
  • Le carbonate de sodium apporte le principal oxyde modificateur de réseau (Na2O) qui joue le rôle de fondant permettant de diminuer la température de fusion de SiO2.
  • Le calcaire et la dolomie apportent CaO qui améliore la résistance chimique des verres sodiques en diminuant fortement leur solubilité.
  • Le borax (2B2O3,Na2O) apporte B2O3 qui diminue le coefficient de dilatation du verre et améliore ainsi sa résistance aux chocs thermiques.
  • Le minium (Pb3O4) apporte PbO qui augmente l’indice de réfraction (dans le verre cristal, la teneur en PbO est supérieure à 24 %) et à forte teneur (40 à 80 %) est utilisé dans des verres optiques et les verres protecteurs contre les rayons X.

Une grande partie de la production de verre est réalisée à partir de verre récupéré et recyclé, appelé calcin (voir plus loin). Les fours de production de verre creux fonctionnent couramment avec un mélange comportant plus de 50 % de calcin (la moyenne est de 15 % pour le verre plat). Certains fours, utilisés, en particulier, pour fabriquer des bouteilles vertes, emploient parfois jusqu’à 90 % de calcin, voire plus.

La couleur d’un verre est donnée par les oxydes métalliques présents comme impuretés dans les matières premières ou apportés intentionnellement. Les oxydes de fer et de chrome apportent une couleur verte, ceux de nickel : grise, ceux de manganèse : violette, ceux de cobalt : bleue, ceux de cuivre : rouge ou verte… La couleur ambre, qui protège des rayonnements UV, est donnée par des sulfures de fer (III), en milieu réducteur.

Composition (en % en masse) de quelques verres industriels : la composition d’un verre est donnée sous forme d’oxydes des éléments présents.

SiO2 B2O3 Al2O3 Na2O K2O CaO MgO PbO
verre plat 72,5 1,5 13 0,3 9,3 3
verre à bouteilles 73 1 15 10
« Pyrex » 80,6 12,6 2,2 4,2 0,1 0,05
fibre de verre 54,6 8,0 14,8 0,6 17,4 4,5
« cristal » 55,5 11 33
verre de lampes 73 1 16 1 5 4

Source : J. Zarzycki, les verres et l’état vitreux, Masson, 1982

Fabrication industrielle des verres courants

Élaboration

Fusion :
La composition est chauffée progressivement à 1300-1400°C, dans des fours continus (fours à bassin). La cuve est constituée de blocs réfractaires posés sans liant, l’étanchéité étant assurée par le verre se figeant dans les joints. La profondeur de la cuve est d’environ 1 à 1,5 mètre, la surface du bassin jusqu’à 400 m2 et la contenance, pour un four float, de 1 500 à 2 500 t de verre (soit la production de 2 à 3 jours). La durée de vie du four est de 15 à 18 ans.

Affinage et homogénéisation :
Afin d’éliminer les bulles de gaz présentes dans le verre fondu, la température est élevée à 1450-1600°C pour diminuer sa viscosité. L’ajout de sulfate de sodium améliore l’affinage. Une agitation mécanique ou l’insufflation d’air sont parfois utilisées pour homogénéiser.

Braise :
Avant la mise en forme, la viscosité du verre est augmentée en diminuant la température vers 1000-1200°C. Au cours de son élaboration le cheminement d’un verre dure plusieurs jours.

Consommations

Pour l’industrie verrière française : en 2011, pour une production de 5,025 millions de t de verre.

Na2CO3 587 000 t Gaz naturel 6 542 533 MWh
Calcin acheté 2 432 000 t Électricité 2 298 179 MWh
Fuel 281 000 t Propane, butane 7 281 MWh
Source : Fédération des Chambres Syndicales de l’Industrie du verre

La consommation d’énergie est, en 2009, de 8 GJ/t de verre, elle était de 35 GJ/t, en 1960.

Mise en forme du verre

Trois principaux types de produits, en dehors du verre de table, de la cristallerie et du verre technique sont fabriqués :

  • le verre plat,
  • le verre creux (bouteilles, flacons…),
  • les fibres de verre.

Après mise en forme, le verre est en général recuit, vers 500°C, dans des arches ou des étenderies.

Verre plat :

Le verre plat est principalement (à 90 % mondialement et à 97 % dans l’Union européenne) élaboré par flottage (procédé float glass). Ce procédé a été mis au point, en 1959, par la société Pilkington. Le verre est coulé sur une surface d’étain fondu (environ 1 500 t d’étain par ligne de production) maintenu dans une atmosphère neutre ou réductrice (à l’aide de dihydrogène). L’équilibre des forces de gravité et de tension superficielle produit une feuille d’épaisseur uniforme voisine de 6,5 mm quelle que soit la largeur de la bande. Divers dispositifs permettent de faire varier l’épaisseur (en général, de 2 à 25 mm). La longueur d’une unité de production est de plus de 400 m. La production atteint jusqu’à 850 t/jour.

Le verre flotté a rapidement supplanté le verre étiré (ancien verre à vitre) et le verre laminé (appelé verre coulé). Ce dernier procédé est toujours utilisé pour produire les verres imprimés et armés.

Le verre brut est, en général, commercialisé sous forme de feuilles de 6 m x 3,2 m, par chargement de 20 t.

Le verre plat est en partie transformé afin de lui conférer des propriétés spécifiques :

  • Le verre trempé est réchauffé vers 600 °C puis brutalement refroidi afin de développer des contraintes de compression en surface qui augmentent sa résistance à la flexion et aux chocs. Le verre trempé peut être obtenu également, avec un coût 4 à 5 fois plus élevé, par voie chimique en immergeant le verre dans un bain de sel fondu de potassium. La substitution des ions Na+ du verre par des ions K+, plus gros, se traduit par une mise en compression de la surface du verre. Ces verres trempés chimiquement sont réservés à des applications telles que l’aviation, le matériel blindé, les cellules photovoltaïques…
  • Le verre feuilleté est un verre sandwich composé de 2 ou plusieurs feuilles de verre liées entre-elles par des films intercalaires principalement de polyvinyle de butyral (PVB) ou parfois d’acétate d’éthylvinyle (EVA). Il est utilisé comme verre de sécurité (s’il y a bris, les éclats de verre restent fixés sur le PVB) pour les pare-brise automobiles, les vitrages anti-effraction…
  • Les vitrages isolants sont composés de 2 ou plusieurs feuilles de verre séparées entre-elles par des espaces (de 6 à 20 mm d’épaisseur) d’air déshydraté ou de gaz.
  • Le verre athermique, teinté dans la masse, en réduisant la transmission de l’énergie solaire, limite l’effet de serre. Il est principalement employé dans les automobiles pour tous les vitrages et les toits-ouvrants.
  • Les verres traités en surface : anti-reflets pour les glaces de magasins et la protection des tableaux, avec couches réfléchissantes de la lumière, avec couches peu émissives pour l’isolation thermique. Les pare-brises chauffants à dégivrage rapide pour avions sont revêtus d’une couche (1 μm) transparente d’oxyde d’étain dopé à l’indium qui conduit l’électricité.
  • Les verres auto-nettoyants sont recouverts d’oxyde de titane qui agit par photo-catalyse sous l’action du rayonnement UV.
  • Le verre miroir est un verre plat revêtu d’argent (> 0,7 g.m-2), d’aluminium, d’or ou de chrome, de cuivre et d’un vernis (voir le chapitre argent). Les sociétés Aurys à Carantan (50) et Charles André à Tours (37), filiales de Saint-Gobain, produisent 4 millions de m2/an de verre miroir et, au total, Saint-Gobain produit les 2/3 du verre miroir européen devant AGC et NSG.

Verre creux : représente près de 66 %, en tonnage, du verre produit dans l’Union européenne, avec 160 usines de fabrication. Le nombre d’usines aux États-Unis est de 49.

Il est formé par pressage, soufflage ou combinaison des deux. Une quantité déterminée de verre fondu (paraison) est appliquée contre les parois d’un moule par action d’un poinçon ou d’air comprimé. La production peut atteindre 300 à 800 bouteilles ou 2000 ampoules par minute. La production d’un four est de 450 à 480 t/jour.

Les bouteilles, pour améliorer leur résistance mécanique, sont revêtues d’un dépôt d’oxyde d’étain ou de titane (obtenu par hydrolyse, au contact de la bouteille chaude, des chlorures correspondants) qui permet l’accrochage d’un film organique (polyéthylène, acide oléique ou stéarate alcalin). Les flacons destinés à l’industrie pharmaceutique peuvent subir, intérieurement, pour diminuer la solubilité du verre, un traitement de désalcalinisation par action du dioxyde de soufre à 500°C.

Le poids des bouteilles de vin est passé depuis 1980 de 550 g à 300 g, celui des bouteilles de Champagne de 900 g à 835 g.

Fibres de verre : on distingue les fibres textiles ou de renforcement (fil continu) des fibres pour isolations (courtes et enchevêtrées).

Les fibres textiles sont fabriquées à l’aide de filières en platine. Les fibres ont de 5 à 24 μm de diamètre et les vitesses d’étirage sont de 12 à 30 m/s. Les fibres pour isolation sont obtenues par centrifugation d’un filet de verre tombant sur un disque réfractaire tournant à 3000-4000 tours/min.

Si le verre utilisé en standard pour la fabrication des fibres de verre de renforcement est un verre borosilicaté dit type E, d’autres compositions verrières ont été élaborées pour répondre à des exigences spécifiques : le verre C est résistant à la corrosion, le verre AR, alcali-résistant, est destiné à être incorporé aux bétons spéciaux.

Composition des principaux verres utilisés dans les fibres de renforcement :

Verre type E Verre type C Verre type AR
SiO2 53-55 % 60-65 % 61 %
Al2O3 14-15 % 3,5-6 % –
CaO 17-23 % 14 % 5 %
MgO 1 % 3 % –
Na2O 0,8 % 10 % 17 %
B2O3 0-8 % 5 % –
Fe2O3
 0,3 % 0,5 % 0,3 %
TiO2 0,5 % – –
ZrO2 – – 10 %

Fibres optiques : elles sont réalisées en verre de silice dont le cœur possède un indice de réfraction (environ 1,5) légèrement plus élevé que la gaine qui l’entoure. Le cœur a un diamètre de quelques dizaines de μm pour un diamètre total de 125 μm. Les fibres optiques sont fabriquées à partir de préformes cylindriques de plusieurs cm de diamètre et environ 1 m de longueur. Celles-ci ont le même profil d’indice que la fibre finale qui peut atteindre 1 000 km de longueur (elle est en général livrée en rouleaux de 25 km). Les fibres, pour assurer leur fonction, doivent posséder une très grande pureté qui ne peut pas être obtenue avec les matières premières habituelles de l’industrie verrière. La préforme est fabriquée selon plusieurs méthodes, la plus courante étant par dépôt chimique en phase vapeur (MCVD). On dépose dans un tube de silice de quelques centimètres de diamètre et de quelques mm d’épaisseur des précurseurs de silice plus ou moins dopés avec F, Ge et P obtenus à partir de précurseur tels que SiCl4, C2F6, GeCl4 et POCl3 de haute pureté. Par chauffage sous courant de dioxygène, vers 1300-1400°C, les molécules de précurseur se transforment en oxydes se déposant en poudre à l’intérieur du tube. Par chauffage vers 1800-2000°C, les oxydes déposés vitrifient. Plusieurs couches sont déposées successivement, la composition de la phase gazeuse en précurseurs dopants de la silice permettant ajuster l’indice du verre obtenu. Une dernière étape de rétreint, à plus de 2000°C, se traduisant par un effondrement du tube sur lui même permet d’obtenir le barreau de préforme. Celle-ci est ensuite chauffée vers 2000°C, le verre fond et passe par simple gravité (l’installation est verticale) au travers d’une filière imposant le diamètre final de la fibre qui est ensuite revêtue de couches de polymères permettant sa manipulation sans rupture puis enroulée autour d’un fût.

Verre de table et cristallerie : le verre de table comprend les verres à boire (gobeleterie qui représente 60 % en valeur de la production des verres de table et qui est regroupée, dans les statistiques, avec le verre creux), les assiettes, les plats, les bocaux… Dans la composition du verre de table entre souvent du borax qui donne des verres présentant une bonne résistance aux chocs thermiques. Le verre opale contient du fluorure de calcium.

Dans le cristal et le verre cristallin, lors de sa fabrication, le calcaire est remplacé, en grande partie, par des carbonates de baryum, zinc ou plomb et le carbonate de sodium par du carbonate de potassium. Un verre cristal doit contenir plus de 24 % de PbO.

La France assure plus de la moitié de la production européenne. Elle exporte plus de 60 % de sa production.

Arc (anciennement Verrerie Cristallerie d’Arques) est le n°1 mondial, avec, en 2018, un effectif de 10 565 personnes dont 5 265 en France. 5 sites de production : en France, à Arques (62), aux États-Unis, à Millville, dans le New Jersey, en Chine, à Nankin, en Russie, à Gus-Khrustalny et dans les Émirats Arabes Unis, à Ras Al Khaimah et une production de 4,3 millions d’articles par jour (Cristal d’Arques, Arcopal, Arcoroc…).

Verres techniques : (représentent moins de 1 % en tonnage de la production de verre) concernent des produits en verre destinés à diverses industries : écrans pour téléviseurs, ampoules électriques, verres ophtalmiques (800 millions d’unités/an), vitrocéramiques, filtres optiques, verre de silice fondue…

Recyclage

Le recyclage concerne principalement le verre creux. Celui du verre plat ne représente que 15 % de la consommation.

Du verre de récupération, appelé calcin, est ajouté en proportions variables à la composition. Le calcin fond à 1000°C au lieu de 1500°C pour les matières premières habituelles du verre. Ainsi, 10 t de calcin permettent d’économiser 1 tep, en plus des matières premières minérales.

En France, le recyclage est organisé depuis 1974. Il existe 14 centres de traitement du calcin en France, en général proches de verreries.

Recyclage dans l’Union européenne à 27 du verre creux : tonnage collecté en 2020 et ( ) taux de recyclage. Total : 11 957 693 t soit un taux de recyclage de 80 %.

en milliers de t et ( ) en %
Allemagne 2 635 (84 %) Belgique 341 (102 %)
Italie 2 396 (88 %) Autriche 270 (89 %)
France 2 289 (80 %) Roumanie 236 (62 %)
Espagne 985 (73 %) Suède 229 (98 %)
Pologne 912 (67 %) République tchèque 195 (88 %)
Pays Bas 459 (90 %) Portugal 194 (49 %)
Source : FEVE

Le taux de recyclage aux États-Unis est de 34 %.

Dans l’Union européenne, en 2013, 25 milliards de bouteilles ont été recyclés.

Productions

En 2016, la production mondiale de verre est de 140 millions de t dont 72 millions de t de verre plat produit à 50 %, en Chine, 15 % en Europe, 10 % en Amérique du Nord, 7 % dans le Sud-Est asiatique, 5 % au Japon, 4 % en Amérique du Sud. En 2010, sur une production mondiale de 56 millions de t, le verre plat de haute qualité représentait 33 millions de t, celui de faible qualité (principalement en Chine), 20 millions de t, le verre étiré représentait 1 million de t et le verre laminé, 2 millions de t.
Dans le monde il y a, en 2013, 435 lignes de floats en fonctionnement dont 243 en Chine et 55, en 2014, dans l’Union européenne.

Productions de l’Union européenne

En 2021, sur un total de 38,026 millions de t, hors fibres d’isolation.

en milliers de t
Verre creux 23 458 Fibres de renforcement 1 000
Verre plat 11 700 Verres spéciaux 552
Verre de table 1 185 Autres verres 131
Source : Glass Alliance Europe

Carte des usines de production de verre en Europe (Source : Glass Alliance Europe)

Production de verre creux dans l’union européenne, en 2014, sur un total de 20,859 millions de t.

en milliers de t
Allemagne 3 974 Espagne 2 099
Italie 3 467 Portugal 1 452
France 3 097 Pologne 1 078
Royaume Uni 2 246
Source : FEVE

En 2018, dans l’Union européenne, la production est de 21,755 millions de t avec 78,662 milliards d’unités.

Dans l’Union européenne, en 2018, la production de verre flotté a été réalisées, à 25 % en Allemagne, 13 % en France, 10 % en Pologne, 9 % en Espagne, 9 % en Italie, 8 % en Belgique, 7 % au Royaume-Uni… Elle a lieu dans 60 usines réparties dans 12 pays.

Carte des usines de production de verre plat dans l’union européenne (Source : Glass for Europe).

Effectifs dans l’Union européenne, en 2021 : 181 063 personnes dont 53 935 en Allemagne, 32 000 en Pologne, 23 000 en France, 17 091 en République tchèque, 12 400 en Italie…

Commerce international du verre plat

Principaux pays exportateurs, en 2022 :

en tonnes
Chine 1 290 005 Indonésie 364 905
Allemagne 1 071 633 République tchèque 319 843
France 455 449 Turquie 301 639
Pologne 446 155 Thaïlande 292 399
Belgique 422 834 Nigéria 126 368

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 9 % à la Corée du Sud, 5 % aux Philippines, 5 % au Pérou, 4 % à la Tanzanie.

Principaux pays importateurs, en 2022 :

en tonnes
Corée du Sud 631 274 Allemagne 228 695
Pologne 403 744 Autriche 226 480
Turquie 346 467 Belgique 185 888
France 279 997 Luxembourg 175 934
Chine 243 849 Pérou 175 121

Source : ITC

Les importations coréennes proviennent à 60 % de Malaisie, 20 % de Chine, 9 % de Thaïlande.

Commerce international du verre creux

Principaux pays exportateurs, en 2022 :

en tonnes
Chine 1 865 850 Pays Bas 723 460
Allemagne 1 858 336 Pologne 564 482
Portugal 1 511 256 Italie 523 752
Espagne 777 662 Bulgarie 513 662
France 746 593 Turquie 456 934

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 17 % aux États-Unis, 8 % au Vietnam, 8 % aux Philippines.

Principaux pays importateurs, en 2022 :

en tonnes
France 1 924 111 Royaume Uni 479 276
Italie 1 219 715 États-Unis 446 418
Belgique 944 136 Pologne 413 148
Espagne, en 2021 943 214 Roumanie 370 075
Allemagne 497 855 Irlande 350 075

Source : ITC

Les importations françaises proviennent à 24 % d’Allemagne, 20 % d’Espagne, 11 % du Portugal, 9 % d’Italie.

Commerce international de l’Union européenne

En 2020.

en milliers de t
Exportations Importations Exportations Importations
Verre creux 1 187 1 334 Fibres de renforcement 189 574
Verre plat 883 485 Verres spéciaux 20 11
Verre de table 307 327 Autres verres 595 914
Source : Glass Alliance Europe

Les exportations sont destinées pour 19 % au Royaume Uni, 13 % à la Suisse, 9 % aux États-Unis, 8 % à la Turquie…

Les importations proviennent à 24 % de la Chine, 14 % du Royaume Uni, 12 % de la Turquie, 8 % de la Suisse…

Principaux producteurs mondiaux

Principaux producteurs de verre plat : en 2019.

  • AGC (Asahi Glass Company, Japon), n°1 mondial possède 13 % du marché du verre plat avec 36 floats, dont 3 en joint venture et des usines en France à Boussois (59) et Seingbouse (57), en Belgique à Moustier, en Allemagne à Osterweddingen, en Italie à Cuneo, en Espagne à Sagunto, en République tchèque à Refenice, en Russie à Nizhniy Novgorod et Klin, au Japon à Kashima et Aichi, en Chine à Dalian et Suzhou, en Indonésie à Jakarta et Surabaya, aux Philippines à Manille, en Thaïlande à Samut Prakarn et Chon Buri, en Inde à Taloja et Roorkee, aux États-Unis à Greenland, Richmond et Spring Hill et au Brésil à Guaratingueta.
  • Saint Gobain (France), n°2 mondial exploite 37 floats dont 10 en joint venture, avec outre les usines françaises, voir plus loin, des usines, en Allemagne à Herzogenrath, Stolberg, Porz et Torgau, en Espagne à Avilés et Arbos, au Portugal à Santa Iria, en Italie à Pise, au Royaume Uni à Eggborough, en Pologne à Dabrowa, en Roumanie à Calarasi, en Russie à Yelabuga, en Argentine à Buenos Aires, au Brésil, en joint venture avec NSG à Caçapava, Jacarel et Barra Velha, au Chili à Lirquen, en Colombie, en joint venture avec NSG, à Soacha, au Mexique à Cuautla, en Égypte à Ain el Sokhna, en Inde à Bhiwadi, Chennai et Jhagadia, en Corée du Sud à Gunsan et en Chine à Qingdao.
  • NSG (Japon), qui a acquis Pilkington en juin 2006, exploite 46 lignes de floats dont 15 en Chine, 6 aux États-Unis et au Brésil, 4 en Allemagne et au Japon, 3 au Vietnam, 2 en Malaisie et en Italie, 1 en Argentine, au Chili, en Colombie, en Pologne, en Russie et au Royaume Uni. Les lignes du Brésil à Caçapava, Jacarel et Barra Velha sont exploitées en commun avec Saint Gobain au travers d’une joint venture, Cebrace et celle de Colombie, à Soacha, avec Saint Gobain au travers de Vidrio Andino.
  • Guardian (États-Unis), acquis en novembre 2016 par Koch Industries, exploite 25 floats dont 6 aux États-Unis à Kingdburg en Californie, à Carleton dans le Michigan, à Richburg en Caroline du Sud, à Dewitt dans l’Iowa, à Geneva dans l’état de New-York et à Corsivana au Texas, 2 en Espagne à Llodio et Tudela, au Brésil à Porto Real et Tatui, au Luxembourg à Bascharage et Dudelange, en Russie à Ryazan et Rostov-sur-le-Don et en Thaïlande à Nong Khae et Rayong, 1 en Egypte au Caire, au Royaume Uni à Goole, en Allemagne à Thalheim, en Inde dans le Gujarat, au Mexique à El Marques, en Pologne à Czestochowa, en Hongrie à Oroshaza, en Arabie Saoudite à Al Jubail, aux Émirats Arabes Unis à Ras Al Khaimach.
  • Sisecam (Turquie), possède, en 2020, une capacité de production de 3,4 millions de t/an de verre plat dans 14 lignes de floats dont 7 en Turquie à Ankara, Lüleburgaz, Mersin et Bursa avec 1,795 million de t/an, deux en Bulgarie à Targovishe avec 470 000 t/an et une en Inde à Kolkata avec 220 000 t/an, en Italie à San Giorgio di Nogaro avec 410 000 t/an, en Russie à Alabuga dans le Tataristan avec 230 000 t/an et en Égypte au Caire avec 85 000 t/an et 30 % de participation dans le float exploité à 51 % par Saint Gobain.
  • Vitro, société mexicaine a acquis, fin 2016, les activités dans le verre plat de PPG (États-Unis), qui exploitait 5 lignes de floats aux États-Unis, dans 4 usines, à Fresno en Californie, Salem dans l’Oregon, Carlisle en Pennsylvanie et Wichita Falls au Texas. Au Mexique, exploite 4 lignes de float à Garcia et Mexicali.
  • Cardinal (États-Unis), exploite 5 floats aux États-Unis, à Menomonie et Portage dans le Wisconsin, à Mooresville en Caroline du Nord, à Durant dans l’Oklahoma, à Winlock dans l’État de Washington.
  • Euroglass (Suisse), exploite 4 floats dont 2 en Allemagne à Haldensleben et Osterweddingen de 700 et 800 t/jour, 1 en France à Hombourg (68) de 580 t/jour et en Pologne à Ujazd de 1 000 t/jour.

Principaux producteurs de verre creux :

  • O-I (Owens Illinois, États-Unis), n°1 avec 72 usines dont 17 aux États-Unis, 2 au Canada, 34 en Europe dont 10 en Italie, 9 en France, 3 en Allemagne et aux Pays Bas, 2 en République tchèque, en Pologne, en Espagne, au Royaume Uni et 1 en Estonie, en Hongrie, 17 en Amérique Latine dont 5 au Mexique, 4 en Colombie, 3 au Brésil, 2 au Pérou, 1 en Argentine, en Bolivie et en Équateur, 2 en Chine. Par ailleurs, O-I exploite, en joint venture, des usines en Italie, aux États-Unis, en Chine, en Malaisie et au Vietnam. En 2015, a acquis les activités dans le verre creux du groupe mexicain Vitro avec 5 usines au Mexique et une en Bolivie.
  • Ardagh (Irlande) exploite 34 usines de production de verre creux dont 14 aux États-Unis, 8 en Allemagne, 4 au Royaume Uni, 3 en Pologne, 2 aux Pays Bas, 1 en Italie, au Danemark et en Suède. En 2014, a acheté à Saint Gobain 4 usines de Verallia en Amérique du Nord.
  • Verallia (France), ex société du groupe Saint-Gobain, est n°3 mondial. Exploite 32 usines dont 7 en France, 6 en Italie et en Espagne, 4 en Allemagne, 3 au Brésil, 2 en Russie, 1 au Chili, en Argentine, en Algérie, en Ukraine, en Pologne et au Portugal. A produit, en 2020, 16,2 milliards de bouteilles et de pots, avec 57 fours.
  • Sisecam (Turquie), exploite 10 usines dont 5 en Russie, 3 en Turquie, 1 en Géorgie et en Ukraine. La capacité de production est de 2,65 millions de t/an de verre creux dont 1,335 million de t/an en Turquie, 1,165 million de t/an en Russie, 85 000 t/an en Ukraine, 60 000 t/an en Géorgie.
  • Vetropack (Suisse) exploite 9 usines dont 2 en Autriche et 1 en Suisse, République tchèque, Slovaquie, Croatie, Ukraine, Moldavie et Italie. En 2020, la production est de 1,416 million de t de verre creux avec 5,16 milliards de bouteilles et pots.
  • Vidrala (Espagne) exploite 8 usines après l’acquisition, début 2014, de 2 usines de Encirc au Royaume Uni. Possède par ailleurs 3 usines en Espagne et une au Portugal, en Belgique et en Italie.

Principaux producteurs de fibre de verre :

Un petit nombre de producteurs de fibres de verre détiennent la majorité du marché dont notamment Owens Corning, et Saint Gobain avec ses filiales Vetrotex pour les fibres de renforcement (avec une capacité de production de 1 milliard de km/an et des usines à Hodonice et Litomysl en République tchèque, à Gorlice, en Pologne et à Xicohtencatl, au Mexique) et Isover pour les fibres d’isolation ou encore Owens Corning et Knauf pour les fibres d’isolation.

Situation française

En 2013.

Productions :

Production de verre mécanique : 4 494 817 t dont :

  • Verre plat : 777 922 t avec 7 floats : 3 pour Saint Gobain, 3 pour AGC, 1 pour Euroglas.
  • Verre creux : 3 298 537 t (dont 2 574 747 t de bouteilles).
  • Fibres : 381 686 t.
  • Verre technique : 36 672 t (verres de lunettes, ampoules d’éclairage, écrans de télévision, verre de silice…).

24 entreprises exploitent 42 usines et emploient 18 558 personnes.

Carte des usines françaises de production de verre creux (document de Verre Avenir)

A la production de verre mécanique il faut ajouter celle des cristalleries et du verre fabriqué à la main.

Commerce extérieur : voir ci-dessus.

Producteurs :

  • AGC : exploite, en France :
    Deux lignes de float à Boussois (59),
    Une ligne de float à Seingbouse (57) avec une capacité de production de 250 000 t/an,
    Une usine de vitrage automobile à Aniche (59),
    Une usine de vitrages isolants à Hoerdt (67),
    12 sites d’élaboration de verres architecturaux à Fougères (35), Grenoble (38), Nantes (44), Méry-sur-Seine (10), Reims (51), Nancy (54), Niort (79), Agen (47), Marne-la-Vallée (77), Wissous (91), Schirmeck (67), Saint-Priest (69).
  • Saint Gobain exploite, en France :
    Verre plat : 3 floats, à Aniche (59), Chantereine (60) et Salaise-sur-Sanne (38). L’usine de Chantereine est le site le plus important de Saint Gobain, en France, dans le verre plat. Elle comprend, en particulier, une usine de verre float produisant 650 t de verre/jour et une usine de transformation du verre pour l’automobile (lunettes latérales et arrières). L’usine de Salaise-sur-Sanne est une joint venture entre Saint Gobain et le groupe français Riou Glass. Sa capacité de production est de 650 t/jour de verre soit 22 millions de m2 de verre plat.
    Le verre feuilleté est fabriqué à Aniche (59) et Salaise-sur-Sanne (38).
    Autres usines de verre plat : St Just sur Loire (42), La Ferté-sous-Jouarre (77), Château Thierry (02), Sully-sur-Loire (45).
    Isolation : marque « Isover« , activités réparties entre la laine de verre, la laine de roche, les plafonds acoustiques et les mousses. 1er producteur mondial de laine de verre et de roche. Usines de laine de verre en France : Chalon sur Saône (71), Orange (84) et Chemillé (49).
    Vitrocéramiques : production de plaques de cuisson en association 50/50 avec Corning Glass, par la société Eurokera, à Château-Thierry (02) et Bagneux/Loing (77).
    Verre de silice : à Nemours (77) par la filiale Saint Gobain Quartz.
  • Euroglas : exploite un float, à Hombourg (68) avec une capacité de production de 580 t/jour.
  • Verallia (France), ex société du groupe Saint-Gobain, exploite 7 usines à Albi (81), Chalon sur Saône (71), Cognac (16), Lagnieu (01), St Romain le Puy (42), Oiry (51), Vauxrot (02).
  • O-I : leader Français et deuxième producteur européen de verre d’emballage destiné à l’industrie agro-alimentaire. Les usines sont situées à Gironcourt (88), Puy Guillaume (63), Vayres (33), Wingles (62), Béziers (34), Labegude (07), Reims (51), Veauche (42) et Vergèze (30).
  • Saverglass, produit du verre d’emballage à Feuquières (60), Le Havre (76) et Arques (62).
  • SGD pharma, à Saint Quentin-Lamotte (80) et à Sucy-en-Brie (94), avec 4 millions de flacons/jour.
  • Verescence, (ex-Saint Gobain Desjonquères et ex-SGD) produit des flacons pour la parfumerie et les cosmétiques à Mers-les-Bains (80).
  • Les Verreries de Masnières, reprises, en 2015, par le groupe autrichien Stoelzle, produisent des emballages de verre pour la pharmacie et les cosmétiques à Masnières (59).
  • Owens Corning produit des fibres textiles à Chambéry (73), L’Ardoise (30) et Vendôme (41).
  • Knauf produit depuis 2010 des fibres de verre pour l’isolation à Lannemezan (65), avec une capacité de production de 70 000 t/an.
  • Arc International produit du verre de table à Arques (62) et Châteauroux (36).
  • Duralex produit du verre de table à La Chapelle-Saint-Mesmin (45).

Utilisations

Consommations : dans l’Union européenne, en 2021, hors fibres d’isolation. Total : 38,532 millions de t.

en milliers de t
Verre creux 23 595 Fibres de renforcement 1 548
Verre plat 11 001 Verres spéciaux 546
Verre de table 1 197 Autres verres 546
Source : Glass Alliance Europe

Verre plat :

En 2014, la consommation mondiale de verre plat a été de 65 millions de t, à 50 %, en Chine, 15 % en Europe, 10 % en Amérique du Nord, 7 % en Asie du Sud-Est, 5 % au Japon, 4 % en Russie, 4 % en Amérique du Sud…

En 2018, dans l’Union européenne, la construction a représenté 80 % des utilisations, les transports, 15 % et le solaire, 2 %.

La Pyramide du Louvre a utilisé 95 t de verre « Stadip » constitué de deux vitres de 10 mm séparées par une feuille de butyral de polyvinyle, fabriqué par St Gobain, poli en Angleterre, par Pilkington.

La surface vitrée d’une automobile est, en moyenne, de 3,9 m2. Dans une automobile il y a 28 kg de verre hors les fibres utilisées dans les pare-chocs.

La consommation mondiale de verre plat par l’énergie solaire a été, en 2011, de 120 millions de m2.

Verre creux :

En France, en cols, le verre d’emballage est utilisé à 32 % pour les bières, 33 % les vins, 21 % les denrées alimentaires, 9 % l’eau et les boissons rafraîchissantes, 5 % les apéritifs et liqueurs. En 2012, la production de bouteilles de Champagne est de 300 millions d’unités.

Utilisations particulières :

  • L’énergie solaire thermique, photovoltaïque ou par concentration utilise de plus en plus de verre plat. Le verre utilisé est extra-clair, avec une très faible teneur en oxyde de fer et est, en général, traité avec un dépôt anti-reflets.
  • Des déchets nucléaires (catégories B et C) sont incorporés dans des verres, par fusion à 1100°C, eux-mêmes coulés dans des conteneurs en acier inoxydable et stockés par Orano à Marcoule et La Hague (voir le chapitre uranium).
  • Vitrocéramiques : obtenues par cristallisation (environ 1016 cristaux.cm-3) contrôlée des verres. Le verre est à base de : SiO2-Al2O3-Li2O, les agents nucléants étant TiO2, ZrO2. Le matériau obtenu a un très faible coefficient de dilatation ce qui permet son utilisation comme plaques chauffantes, miroirs pour l’astronomie…
  • Verres photosensibles : parmi ceux-ci, les verres photochromiques sont utilisés dans les verres de lunette s’obscurcissant à la lumière solaire. Le verre contient des précipités de très faible dimension (10 nm) d’halogénure d’argent en présence d’ions cuivre, qui ne modifient pas la transparence du verre. Sous l’effet du rayonnement solaire, et plus particulièrement des rayons de longueur d’onde inférieure à 400 nm, des électrons quittent les ions cuivre pour réduire des ions Ag+ en argent métallique qui absorbe dans le spectre visible. Lorsque l’illumination disparaît, le phénomène est réversible.

Durabilité chimique du verre :

  • Dans les solutions aqueuses acides le phénomène prépondérant est l’échange d’ions Na+ du verre avec les ions H+ de la solution. Un verre moyennement soluble dans les acides perd environ 20 mg par dm2 de surface après 6 heures dans HCl, 6 moles.L-1, à l’ébullition.
  • Dans les solutions aqueuses basiques il se produit une attaque du verre par rupture des liaisons Si-O. Un verre moyennement soluble dans les bases perd environ 100 mg par dm2 après 3 heures dans une solution 1 mole.L-1 de NaOH à l’ébullition.
  • Dans l’eau pure, il se produit d’abord un échange Na+/H+, l’eau devient basique et attaque ensuite le verre selon le processus décrit ci-dessus.

Les verres riches en cations formateurs de réseau (Si4+, Al3+, Fe3+) sont plus résistants chimiquement que ceux riches en cations modificateurs de réseau (Na+, K+, Ca2+, Mg2+). Par exemple, les vitraux riches en ions K+ sont plus altérés que ceux riches en SiO2.

Les électrodes de verre :

Les propriétés échangeuses d’ions du verre sont mises à profit dans les électrodes de verre utilisées en pHmétrie. Le verre couramment utilisé (verre de Mac-Innes) a la composition, en masse, suivante : SiO2 : 72 %, Na2O : 22 %, CaO : 6 %. Au contact d’une solution aqueuse (solution dans laquelle l’électrode reste immergée au repos), des ions H+ de la solution se substituent à des ions Na+ de la surface du verre, la concentration en ions H+ dépendant des Na+ substitués donc des caractéristiques du verre. En présence de la solution aqueuse à mesurer, possédant une certaine concentration en H+, il s’établit une pile de concentration, entre la solution et la surface hydratée du verre, fournissant une force électromotrice. Connaissant le pH de la solution interne de l’électrode on peut ainsi connaître celui de la solution à mesurer. La conduction à travers la membrane de verre est de type ionique. Le verre de Mac-Innes donne des résultats satisfaisants pour des pH compris entre 2 et 8. Pour des pH supérieurs, les échanges sont perturbés par la dissolution du verre. De plus si la solution à mesurer contient des ions Na+, ceux-ci se substituent aux ions H+ du verre hydraté et faussent les mesures. Par contre, les ions K+, plus gros que les ions Na+, ne peuvent pas se substituer aux H+ occupant les sites Na+ du verre sec. En conséquence, aux pH élevés, pour des solutions contenant des ions Na+, on utilise des verres contenant des ions Li+ au lieu de Na+.

Bibliographie

Archives

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Verres 2005

Verres 1996

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Ciments courants

Données industrielles

Matières premières

Elles sont constituées d’environ 80 % de calcaire et 20 % d’argiles (silicoaluminates). Des roches naturelles, les marnes ou calcaires argileux, ont une composition qui est proche de cette proportion. Ces matières premières sont présentes partout, en France, sauf en Bretagne et dans le Massif Central. Des correcteurs, minerai de fer qui apporte Fe2O3, bauxite (Al2O3), sable (SiO2) sont ajoutés pour atteindre la composition souhaitée.

Fabrication industrielle

Principe

Les réactions entre les divers constituants ont lieu, principalement à l’état solide, vers 1450°C (c’est la clinkérisation), entre CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3 dans un four rotatif légèrement incliné qui tourne à la vitesse de 1 à 3 tours/min. On obtient le clinker (voir plus loin sa composition) qui est refroidi brusquement à l’air et auquel on ajoute lors du broyage de 3 à 5 % de gypse (qui joue le rôle de régulateur de prise) et divers constituants (donnant les différents types de ciments) : laitier, pouzzolanes, cendres volantes… Ces produits ont la propriété de fixer Ca(OH)2, formé lors de l’hydratation du ciment, en donnant des composés hydratés stables. Les pouzzolanes, roches volcaniques riches (50 à 65 %) en silice amorphe réactive étaient utilisées par les romains, en présence de chaux, pour fabriquer des bétons. Les cendres volantes sont récupérées dans les centrales thermiques à charbon, les laitiers (silicoaluminates de calcium) sont issus des hauts fourneaux.

Le clinker, avant broyage, est peu réactif avec l’eau et peut ainsi être transporté sans risque.

Procédés de fabrication

Les matières premières sont finement broyées (0,1 mm) afin d’obtenir le « cru » de composition suivante :

CaCO3 60 à 70 % Al2O3 5 à 10 %
SiO2 18 à 24 % Fe2O3 1 à 5 %

On distingue 3 principaux procédés de fabrication :

  • Dans le procédé par voie sèche, la matière première (en poudre) est préchauffée à 800-1000°C par les gaz issus du four de cuisson puis, arrive partiellement décarbonatée, dans la partie haute du four de cuisson (four rotatif court de 50 à 90 m de long et 4 à 5 m de diamètre). Le temps de parcours de la matière dans le four est d’environ 1 heure. Ce procédé est le plus utilisé car il est le plus économe en énergie mais il nécessite la mise en œuvre de moyens importants de captation des poussières.
  • Dans le procédé par voie semi-sèche, la poudre est agglomérée sous forme de boulettes de 10 à 20 mm de diamètre par ajout de 12 à 14 % d’eau, séchée et préchauffée comme précédemment.
  • Dans le procédé par voie humide, la matière première est additionnée d’eau dès le broyage et manipulée sous forme de pâte fluide introduite par pompage dans des fours rotatifs longs de 100 à 200 m. Ce procédé présente l’inconvénient de consommer de 30 à 40 % d’énergie de plus que le procédé par voie sèche.

Les capacités de production peuvent atteindre jusqu’à 20 000 t/jour de ciment.

Consommations

En produits d’addition, en 2016, en France.

en milliers de t
Laitier de hauts fourneaux 1 498 Gypse 641
Calcaire 1 089 Cendres volantes 220

Source : Infociments

En 2018, la consommation mondiale de gypse par l’industrie cimentière est de 160,8 millions de t, à 55,8 % naturel et 44,2 % synthétique.

La consommation énergétique est importante (environ 1/3 du prix de revient) pour alimenter les broyeurs et chauffer les fours. En 2022, en France, l’énergie provient du coke de pétrole pour 29 %, du charbon pour 17 %, d’autres combustibles non renouvelables pour 5 % et de combustibles de substitution pour 50 % ainsi que, en 2016, 1 894 millions de kWh d’électricité. Les combustibles de substitution sont des déchets de diverses provenances : pneus, huiles industrielles usagées, déchets ménagers et agricoles…
En effet, les fours à ciment qui fonctionnent à haute température peuvent détruire de nombreuses molécules organiques et ils sont utilisés pour incinérer des résidus industriels ce qui par ailleurs fournit de l’énergie.

Coûts de production : répartition :

Énergie 33 % Main d’œuvre, entretien et autres 26 %
Matières premières et consommables 29 % Amortissements 12 %
Source : rapport d’activité 2012 de Lafarge

Principaux constituants du clinker

Composition indicatrice en % pondéral :
  • silicate tricalcique (C3S) : 3CaO,SiO2 : 55 %,
  • silicate dicalcique (C2S) : 2CaO,SiO2 : 20 %,
  • aluminate tricalcique (C3A): 3CaO,Al2O3 : 10 %,
  • ferroaluminate calcique (C4AF) : 4CaO,Al2O3,Fe2O3 : 10 %.
Notation des cimentiers : les composés utilisés étant en nombre réduit, sous forme, en général d’oxydes, les cimentiers utilisent une notation spécifique, plus simple que celle des chimistes, avec les lettres suivantes : A pour Al2O3, S pour SiO2, C pour CaO, F pour Fe2O3 … (voir les exemples ci-dessus).

Propriétés des ciments

Le ciment est un liant hydraulique, il fait prise par hydratation.

Principales réactions avec l’eau : elles peuvent être représentées, les coefficients stœchiométriques n’étant qu’indicatifs, par les équations chimiques suivantes :

3CaO,Al2O3 + 3 CaSO4 + 31 H2O = 3CaO,Al2O3,3CaSO4,31H2O

2 (3CaO,SiO2) + 6 H2O = 3CaO,2SiO2,3H2O + 3 Ca(OH)2

2 (2CaO,SiO2) + 4 H2O = 3CaO,2SiO2,3H2O + Ca(OH)2

Le ciment est essentiellement utilisé sous forme de béton : mélange de ciment, granulats et eau. Il forme ainsi une véritable roche artificielle qui présente l’avantage de pouvoir être mise en œuvre sous forme d’une pâte.

La libération, lors de la prise, d’hydroxyde de calcium, dénommé portlandite par l’industrie cimentière donne au ciment un pH fortement basique qui passive l’acier utilisé dans le béton armé et donc le protège de la corrosion.

Désignation des ciments

La norme NF EN 197-1 d’avril 2000 s’applique à l’ensemble des ciments courants dans l’Espace Économique Européen. Elle est entrée en vigueur le 1er avril 2001. Les ciments sont désignés par leur type et leur classe de résistance (exemples CEM I ou CEM II/ B 32,5 R).

Notations pour un ciment courant :

  • CEM I : ciment Portland
  • CEM II : ciment Portland composé
  • CEM III : ciment de haut fourneau
  • CEM IV : ciment pouzzolanique
  • CEM V : ciment composé

Les lettres A, B et C précisent la teneur en clinker des ciments courants.

  • CEM I : (pas de lettre) 95 à 100 % de clinker
  • CEM II/ A : 80 à 94 %
  • CEM II/ B : 65 à 79 %
  • CEM III/ A : 35 à 64 %, le complément étant du laitier (plus éventuellement des constituants secondaires)
  • CEM III/ B : 20 à 34 %, le complément étant du laitier (plus éventuellement des constituants secondaires)
  • CEM III/ C : 5 à 19 %, le complément étant du laitier (plus éventuellement des constituants secondaires)

Un nombre (32,5 ou 42,5 ou 52,5) indique leur classe de résistance (valeur minimale spécifiée de la résistance à la compression mesurée à 28 jours et donnée en N/mm2 ou MPa).

Les lettres N ou R donnent les classes de résistance à court terme (2 ou 7 jours). N : résistance à court terme ordinaire et R : résistance à court terme élevée.

Répartition de la production de ciments, par type : en 2022, en France :

CEM I 19 % Ciments spéciaux (blanc, alumineux, prompt) 5 %
CEM II 64 % Ciments divers (à maçonner…) 1 %
CEM III et V 9 % Liants géotechniques 2 %
Source : Infociments

Ciment blanc : il est produit à partir de matières premières les plus pauvres possible en oxyde ou sulfate de fer. En effet, ce sont principalement ces derniers qui donnent la couleur grise au ciment. Chaque 0,1 % d’oxyde de fer en plus réduit de 2,5 % la réflectance. Il demande lors de la fabrication du clinker une température plus élevée et un refroidissement très rapide, sous eau, afin de limiter l’oxydation du fer présent en faible quantité. Dans le monde, en 2015, il y a 48 cimenterie le produisant avec une capacité de plus de 14 millions de t/an.

Ciments alumineux fondus : notés CA, norme NF P 15-315, ils sont obtenus par fusion, à très haute température, d’un mélange de calcaire et de bauxite ferrugineuse. Pauvres en SiO2 (4 à 10 %), ils sont par contre riches en Al2O3 (40 à 45 %) et sont principalement constitués d’aluminate monocalcique (CaO,Al2O3). Ce sont des ciments à haute résistance mécanique mais d’un emploi très délicat. La prise est lente mais le durcissement est très rapide. La chaleur d’hydratation est très élevée. Les ciments alumineux de haute pureté sont préparés à partir d’alumine. Ils sont réfractaires et peuvent être utilisés jusqu’à 1200°C, alors que l’emploi des ciments Portland est limité à 350°C. Ils ne sont pas employés en construction.

Productions

En 2024. Monde : 4 000 millions de t, Union européenne, en 2022 : 183 millions de t.

en millions de t
Chine 1 900 Indonésie 65
Inde 450 Russie 65
Vietnam 110 Corée du Sud 52
États-Unis 86 Égypte 50
Turquie 82 Arabie Saoudite 50
Iran 72 Mexique 48
Brésil 68 Japon 46
Source : USGS

Production de clinker dans l’Union européenne : en 2023, sur un total de 86,506 millions de t.

en millions de t
Allemagne 18,570 France, en 2022 5,876
Espagne 14,402 Italie 4,590
Pologne 12,655 Croatie 2,301
Roumanie 6,962 Bulgarie 1,986
Grèce 6,724

Source : Eurostat

Commerce international :

Principaux pays exportateurs de ciment Portland normal, en 2023, sur un total de 118,3 millions de t, en 2021 :

en millions de t
Vietnam 16,534 Chine 3,185
Turquie 14,935 Pakistan 2,845
Canada 3,864 Allemagne 2,591
Japon 3,759 Égypte 2,234
Grèce 3,448 Slovaquie 2,159
Source : ITC

Les exportations turques sont destinées principalement aux États-Unis à 45 %, à Israël à 22 %, à la Syrie à 6 %.

Principaux pays exportateurs de clinker, en 2023, sur un total de 102,160 millions de t, en 2019.

en millions de t
Indonésie 9,696 Pakistan 3,182
Algérie 6,536 Japon 2,670
Vietnam 4,942 Maroc 2,068
Thaïlande 4,414 Kenya 1,996
Turquie 4,402 Corée du Sud 1,358

Source : ITC

Les exportations indonésiennes sont destinées au Bangladesh à 63 %, à l’Australie à 18 %, à Taipei chinois à 9 %.

Principaux pays importateurs de ciment Portland normal, en 2023.

en millions de t
États-Unis 22,247 Hong Kong 3,040
Singapour 4,645 Mali 2,517
Philippines 4,063 France 2,448
Royaume Uni 3,829 Libye 2,241
Israël 3,163 Pays Bas 1,759
Source : ITC

Les importations des États-Unis proviennent principalement de Turquie à 27 %, du Vietnam à 18 %, du Canada à 17 %, de Grèce à 9 %, du Mexique à 7 %.

Principaux pays importateurs de clinker, en 2023.

en millions de t
Bangladesh 10,633 Taipei chinois 2,376
Côte d’Ivoire 4,577 Ouganda 2,243
Australie 4,090 France 2,074
Philippines 3,034 Belgique 1,496
Burkina Faso 2,686 Chili 1,468

Source : ITC

Les importations Ivoiriennes proviennent principalement d’Égypte à 46 %, d’Algérie à 21 %, d’Arabie Saoudite à 12 %, du Maroc à 10 %.

Principaux producteurs mondiaux : en 2021.

en millions de t/an de capacités de production de ciment
CNBM (Chine) 530 Ultra Tech Cement (Inde) 121
Anhui Conch (Chine) 384 Cemex (Mexique) 88,5
Holcim (Suisse) 293 China Resources (Chine) 85,3
Tangshan Jidong Cement (China) 176 Taiwan Cement (Taipei chinois) 74,7
Heidelberger (Allemagne) 163,3 CRH (Irlande) 61

Sources : Global Cement et rapports annuels des sociétés

On a assisté, en 2015, à la fusion de Holcim avec Lafarge, en 2016, à l’achat d’Italcementi par Heidelberger et en 2018, à la fusion des groupes chinois CNBM et Sinoma.

  • En 2018, les capacités de production de CNBM étaient de 409 millions de t/an, celles de Sinoma de 112 millions de t/an. En 2021, les ventes de ciment ont porté sur 332 millions de t, celles de clinker de 40,4 millions de t, celles de béton prêt à l’emploi de 112 millions de t.
  • En 2021, les ventes de ciment et de clinker de Anhui Conch ont atteint 409 millions de t, avec des capacités de 384 millions de t/an pour le ciment, 269 millions de t/an pour le clinker et 14,7 millions de m3 pour le béton prêt à l’emploi.
  • Holcim a vendu, en 2021, 200,8 millions de t de ciment, avec 266 cimenteries et stations de broyage, 269,9 millions de t de granulats avec 661 sites de production, 46,5 millions de m3 de béton prêt à l’emploi, avec 1 374 usines. Les capacités de broyage sont de 113,8 millions de t/an en Chine à travers des joints venture, 70,0 millions de t/an en Inde, 23,6 millions de t/an aux États-Unis, 13,5 millions de t/an au Maroc, 12,9 millions de t/an au Mexique, 11,7 millions de t/an en Algérie, 10,6 millions de t/an au Nigeria, 10,2 millions de t/an au Brésil, 9,6 millions de t/an en France, 9,6 millions de t/an en Russie,…
  • Heidelberger, a vendu, en 2021, 126,5 millions de t de ciment, avec 130 cimenteries, 306,4 millions de t de granulats, avec 600 sites de production, 47,4 millions de m3 de béton prêt à l’emploi, avec 1 410 usines et 10,4 millions de t d’asphalte. Les capacités mondiales de production sont de 163,3 millions de t/an dont 24,7 millions de t/an en Indonésie, 12,1 millions de t/an en Inde, 11,2 millions de t/an aux États-Unis, 10,9 millions de t/an en Allemagne, 10,3 millions de t/an en Italie, 9,7 millions de t/an en Égypte, 7,1 millions de t/an en France…
  • Ultra Tech Cement (Inde), société du groupe Aditya Birla, possède une capacité de 114,55 millions de t/an en Inde, 4,4 millions de t/an à Bahreïn, 1,5 million de t/an au Sri Lanka et 1 million de t/an aux Émirats Arabes Unis. En 2021-22, les ventes ont porté sur 94 millions de t avec 23 cimenteries. Possède également une capacité de production de ciment blanc de 1,5 million de t/an.
  • China Resources a vendu, en 2021, 81,3 millions de t de ciment, 3,3 millions de t de clinker et 14,8 millions de m3 de béton prêt à l’emploi.
  • Cemex, a vendu, en 2021, 67,0 millions de t de ciment, 137,0 millions de t de granulats, 49,2 millions de m3 de béton prêt à l’emploi. Exploite 61 cimenteries et centres de broyage dont 15 au Mexique, 10 aux États-Unis, 6 en Espagne,….
  • Taiwan Cement (Taiwan) possède une capacité de production à Taiwan de 10,4 millions de t/an et de 64,3 millions de t/an en Chine continentale. En 2021, les ventes ont été de 49,66 millions de t.
  • CRH  a vendu, en 2021, 48,8 millions de t de ciment, 309,5 millions de t d’agrégats, 30,2 millions de m3 de béton prêt à l’emploi, 58,7 millions de t d’asphalte.
  • Votorantim Cimentos, possède une capacité de production de 34,9 millions de t/an au Brésil, 4,3 millions de t/an en Turquie, 3,1 millions de t/an en Espagne, 5,5 millions de t/an aux États-Unis et au Canada, ainsi qu’en Tunisie, Maroc, Bolivie, Inde et Uruguay, avec 31 cimenteries, 139 centrales à béton. En 2021, les ventes ont été de 37,2 millions de t de ciment.

Recyclage

Chaque année, en France, 560 millions de t de granulats sont utilisés dans le bâtiment et les travaux publics (BTP). On estime que 25 % de ces granulats proviennent du recyclage. Ainsi, le béton issu de démolitions, trié, concassé et déferraillé est principalement utilisé dans les sous-couches routières en remplacement de granulats naturels, avec pour 1 km d’autoroute l’emploi de 30 000 t de granulats. Une utilisation dans le bâtiment est encore à l’étude.
Le BTP, génère, par an, en France, 260 millions de t de matériaux de déconstruction. L’objectif européen est de valoriser, en 2020, 70 % de ces déchets et éviter ainsi qu’ils se retrouvent en décharges.

Situation française

En 2022, avec un effectif de 4 300 personnes.

Production : 16,791 millions de t. Le plus haut niveau de production a été atteint en 1974 : 33,3 millions de t. La production de clinker est de 12,074 millions de t.

Production dans 45 sites industriels (cimenteries et centres de broyage). Les acteurs implantés en France sont des leaders mondiaux de l’industrie cimentière : LafargeHolcim (16), Ciments Calcia (10), Vicat (8), Eqiom (8), Imerys (3).

1 928 centrales de béton prêt à l’emploi et 900 usines de produits en béton.

Évolution de la production française :

en tonnes
1880 100 000 t 2005 21 300 000 t
1920 800 000 t 2010 18 000 000 t
1938 3 800 000 t 2012 18 018 000 t
1954 7 400 000 t 2016 15 934 000 t
1974 33 500 000 t 2020 16 422 000 t

Source : Infociments

Commerce extérieur : en 2024.

Exportations :

  • Clinker : 219 525 t vers les États-Unis à 57 %, la Belgique à 19 %, le Royaume Uni à 14 %.
  • Ciment : 403 267 t vers l’Italie à 29 %, l’Allemagne à 29 %, l’Irlande à 25 %, le Luxembourg à 14 %.

Importations :

  • Clinker : 2 074 080 t d’Algérie à 40 %, de Turquie à 19 %, d’Irlande à 17 %, de Colombie à 7 %, du Maroc à 6 %.
  • Ciment : 1 731 876 t d’Espagne à 18 %, du Luxembourg à 12 %, de Grèce à 7 %, d’Italie à 5 %, du Vietnam à 5 %.

Consommation : en 2022, 19,147 millions de t, soit 292 kg/habitant/an.

Producteurs :

  • Holcim : la capacité de production est de 9,7 millions de t/an de ciment avec 10 cimenteries, 6 centres de broyage, 106 carrières à granulats, 263 centrales à béton.
  • Ciments Calcia, filiale du groupe allemand Heidelberger : avec 9 cimenteries et un centre de broyage, 66 carrières, exploitées par GMS, 173 centrales à béton, exploitées par Unibéton. A vendu, en 2017, 5,3 millions de t de ciment. Les cimenteries sont situées à Airvault (79), Beaucaire (30), Beffes (18), Bussac (17), Couvrot (51), Cruas (07, produit du ciment blanc), Gargenville (78), Ranville (14), Villiers-au-bouin (37) et le centre de broyage à Rombas (57).
  • Vicat : possède, en France, une capacité de production de ciment de 4,6 millions de t/an avec 5 cimenteries et 2 usines de broyage et des ventes, en 2021, de 3,202 millions de t de ciment, exploite 45 carrières avec des ventes de 10,861 millions de t de granulats et 151 centrales à béton avec des ventes de 3,517 millions de m3 de béton. Les cimenteries sont situées à Montalieu (38), Saint Egrève (38), La Grave-de-Peille (06), Créchy (03) et Xeuilley (54). Dans le monde, le groupe est implanté dans 12 pays, avec au total 16 cimenteries et 5 centres de broyages, une capacité de production de 35 millions de t/an de ciment et une production, en 2021, de 28,141 millions de t, 72 carrières et une production de 24,0 millions de t de granulats et 267 centrales à béton et une production de 10,5 millions de m3.
  • Eqiom, filiale du groupe irlandais CRH : exploite des cimenteries à Lumbres (62), Héming (57) et Rochefort-sur-Nenon (39), 5 centres de broyage, 52 carrières et 121 centrales à béton. Dans le cadre de la fusion Lafarge Holcim, les activités de Holcim en France ont été séparées en deux. Une partie, en Alsace, avec la cimenterie Altkirch (68), 6 carrières et 15 centrales à béton est restée dans le groupe LafargeHolcim. Les autres sites, avec 3 cimenteries, 4 centres de broyage, 33 carrières et 115 centrales à béton ont été reprises par Equion.
  • Kerneos acquis, en juillet 2017, par le groupe Imerys produit de l’aluminate de calcium, dans 3 cimenteries, à Dunkerque (59), Fos-sur-Mer (13) et Le Teil (07).

Utilisations

Consommations, en 2017. Monde : 3 967 millions de t, en 2018, Union européenne : 154 millions de t.

en millions de t
Chine 2 386 Vietnam 60
Inde 284 Corée du Sud 57
États-Unis 97 Russie 55
Turquie 75 Égypte 54
Indonésie 66 Brésil 54
Sources : International Cement review

Un seul débouché du ciment : la construction.

En France :

  • En 2016, 81,7 % du ciment est transporté en vrac, 18,3 % en sacs, à 88,5 % par voie routière, 6,5 % par voie ferrée, 5,0 % par voies fluviales et maritimes.
  • En 2022, il est utilisé à 62 % sous forme de béton prêt à l’emploi, 13 % dans les bétons industriels, 12 % par les négociants, 4 % en vrac par les entreprises, 4 % par les mortiéristes, 2 % par les grandes surfaces de bricolage.
  • La production de béton prêt à l’emploi en 2021 est de 40,2 millions de m3, avec 1850 unités de fabrication.

Le béton prêt à l’emploi : en 2021, la production mondiale est de 9,42 milliards de m3, celle de l’Union européenne de 260 millions de m3.

en millions de m3
Chine 3 290 Turquie 120
États-Unis 333 Égypte 102
Inde 219 Vietnam 98
Indonésie 141 Brésil 87
Russie 122 Arabie Saoudite 63

Source : Global Cement Magazine

Principaux producteurs de béton prêt à l’emploi, en 2021.

en millions de m3
CNBM (Chine) 112 Shanghai Construction 43,1
China West Construction 61,1 CRH (Irlande) 28,5
Cemex 49,2 SRM (États-Unis) 22
Heidelberg 47,4 Siam Cement (Thaïlande) 20
Holcim 44,2 BBMG (Chine) 15,3

Source : Global Cement Magazine

Un logements neuf consomme environ 17 t de ciment qui représentent 2,5 % de son prix de revient.

Le barrage des 3 gorges, en Chine, de 2 309 m de long et 185 m de haut, a consommé, 27 millions de m3 de béton.

Les ciments sont utilisés couramment pour stocker les déchets nucléaires de vie courte (classe A). Ils constituent l’enrobage des déchets, en partie le matériau des conteneurs eux même stockés dans des structures en béton armé dans lesquelles sont coulées un ciment, le tout recouvert d’une dalle de béton. Les déchets nucléaires en solution dans l’eau peuvent être utilisés comme eau de prise du ciment après étude préalable des réactions ciment-déchet. En particulier, l’eau de refroidissement du circuit primaire des réacteurs à eau sous pression français contient, en solution, des ions borates (modérateurs) qui inhibent la prise du ciment. Avant stockage il est nécessaire de précipiter les ions borates à l’aide d’hydroxyde de calcium.

Bétons à hautes performances (HP) : un béton classique, pour être coulé, demande une quantité d’eau supérieure à l’eau nécessaire à la seule hydratation du ciment, le rapport E/C – eau/ciment – est compris entre 0,45 et 0,50. Lors de la prise du ciment, cette eau est chassée du béton lors de son élévation de température (les réactions d’hydratation sont exothermiques). Les pores créés par le départ de l’eau diminuent la résistance mécanique du béton.

Les bétons de hautes performances utilisent moins d’eau lors de leur mise en œuvre, avec un rapport E/C de 0,35. Des adjuvants (naphtalènes sulfonates ou dérivés mélaminés), ajoutés au béton frais, jouent le rôle de plastifiants. Ces adjuvants peuvent représenter de 2 à 4 % de la masse de ciment.

Des ajouts de fumée de silice qui ont également un effet rhéologique, permettent de fixer, en partie, la chaux libérée par l’hydratation du ciment, en donnant des silicates de calcium qui font également prise par hydratation.

La résistance à la compression à 28 jours peut ainsi passer de 30 – 50 MPa pour un béton courant à 100 – 120 MPa pour un béton d’ultra hautes performances. Outre la résistance, les bétons de hautes performances présentent divers autres avantages : leur fluidité à la mise en œuvre et leur durabilité.

Bibliographie

Archives

Ciments 2023

Ciments 2022

Ciments 2019

Ciments 2014

Ciments 2012

Ciments 2005

Ciments 1996

 

Carbure de silicium

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire Structures cristallines
SiC 40,10 g.mol-1 Transformations Structures
Forme alpha à T > 1 700°C, bêta à T < 1 700°C
  • forme alpha : hexagonale de type wurtzite de paramètres a = 0,308 nm et c = 1,512 nm
  • forme bêta : cubique de type blende de paramètre a = 0,436 nm

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de sublimation Conductibilité thermique Solubilité dans l’eau
3,217 g.cm-3 9,5 2 700°C 360 W.m-1.K-1 insoluble

Données thermodynamiques

Carbure de silicium cubique

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -65,3 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -62,8  kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 16,6 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 26,9 J.K-1mol-1
 Carbure de silicium gazeux

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : 740,8 kJ.mol-1

Données industrielles

Le carbure de silicium est présent dans la nature sous forme d’un minéral extrêmement rare, la moissanite. Pour les applications industrielles il est synthétisé.

Fabrication  industrielle

Au four électrique vers 2 400°C pendant 2 à 20 jours, à partir de sable pur et de coke de pétrole, selon le procédé Acheson, découvert en 1891. La consommation d’énergie est de 23,8 MJ/kg de SiC.

SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO

Il existe 2 qualités courantes de carbure de silicium, qualités qui sont obtenues simultanément :

  • cristallisée (pureté > 97,5 %) : utilisée pour élaborer des briques réfractaires pour hauts fourneaux et comme abrasif pour le travail des métaux et de la pierre.
  • amorphe (pureté d’environ 90 %) : utilisé comme élément d’addition dans la fonte et les aciers.

SiC se forme dans la partie centrale du four. Les couches externes dans lesquelles la réaction est incomplète sont recyclées dans une nouvelle production.

Productions

Capacités de production du carbure de silicium

En milliers de t/an, en 2024 sur un total mondial de 1 million de t/an. Source : USGS

en milliers de t/an
Chine 450 États-Unis 40
Norvège 80 Allemagne 35
Japon 60 Venezuela 30
Mexique 45 France 20
Brésil 40 Inde 5

Source : USGS

En 2023, la production des États-Unis est de 40 000 t.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs sur un total de 678 644 t :

en tonnes
Chine 351 903 Allemagne 24 265
Pays Bas 38 695 Belgique 18 300
Vietnam 37 240 Ukraine 16 306
Brésil 35 472 Venezuela 15 850
Russie 29 344 Corée du Nord 13 449

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 29 % aux États-Unis, 17 % au Japon, 10 % à la Corée du Sud, 7 % au Mexique.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
Allemagne 114 569 Belgique 31 847
États-Unis 114 258 Norvège 30 728
Japon 61 536 France 27 578
Corée du Sud 47 034 Pologne 27 414
Inde 46 184 Italie 17 060

Source : ITC

Les importations allemandes proviennent à 32 % des Pays Bas, 25 % de Chine, 9 % d’Afrique du Sud.

Producteurs

  • Fiven, a été créée, en mai 2019, à partir des activités, sauf en Inde, de Saint-Gobain dans le domaine du carbure de silicium. Les filiales Norton et Carborundum, possèdent une capacité de production de 170 000 t/an dans leurs usines en Norvège à Lillesand et Arendal avec 67 000 t/an de capacité, au Brésil à Barbacena et en Belgique à Hody.
  • Grindwell Norton, est une filiale de Saint-Gobain avec des productions à Tirupati, dans l’État de l’Andhra Pradesh, en Inde et à Phuentsholing, au Bhutan.
  • REF-Processing avec ses filiales ESD-SIC et ESK-SIC produit du carbure de silicium à Grefrath, en Allemagne avec une capacité de 33 000 t/an et à Delfzijl, aux Pays Bas, avec 65 000 t/an.
  • Washington Mills, possède une capacité de production de 60 000 t/an, aux États-Unis, à Hennepin dans l’Illinois et, en Norvège, à Orkanger.
  • Volzhsky Abrasive Works, filiale du groupe indien Carborundum Universal Limited (CUMI), possède en Russie une capacité de production de 70 000 t/an. Par ailleurs CUMI produit du carbure de silicium en Inde, en particulier à Koratty.

Situation française

En 2024.

Production : la capacité de production est de 20 000 t/an.

Commerce extérieur :

Les exportations étaient de 2 246 t avec comme marchés principaux à :

  • 79 % l’Espagne,
  • 15 % la Belgique,
  • 4 % l’Allemagne.

Les importations s’élevaient à 24 140 t en provenance principalement à :

  • 21 % de Belgique,
  • 16 % d’Allemagne,
  • 11 % d’Espagne,
  • 11 % de Chine,
  • 8 % du Brésil,
  • 5 % du Luxembourg.

Utilisations

La consommation des États-Unis, en 2024, est de 140 000 t.

Secteurs d’utilisation du carbure de silicium

Abrasifs 50 % Produits réfractaires 15 %
Métallurgie 35 %

Autres utilisations

On retrouve le carbure de silicium dans d’autres usages :

  • Comme résistances électriques.
  • Dans des automobiles pour élaborer des roues de turbocompresseur, des joints de pompe à eau…
  • Des fibres monocristallines de SiC (whiskers) de 1 µm de diamètre et de 10 à 100 µm de longueur sont produites et utilisées comme fibres de renforcement de céramiques (par exemple Al2O3 avec 25 à 30 % en masse de SiC), de métaux (par exemple l’aluminium qui atteint ainsi le module élastique de l’acier tout en n’ayant que 1/3 de sa masse volumique), de polymères. Des alumines renforcées aux fibres sont utilisées dans l’usinage de superalliages utilisés dans l’aéronautique, l’aluminium renforcé dans la fabrication de pistons pour les automobiles.
  • Dans la réalisation de miroir pour télescopes spatiaux. Par exemple, le miroir du télescope Herschel de 3,5 m de diamètre est constitué de 12 segments en carbure de silicium assemblés par brasage. Ils ont été élaborés par frittage à 2100°C par la société Mersen Boostec filiale du groupe Mersen à Bazet (65).
  • En électronique, sous forme monocristalline, comme semi-conducteur, il concurrence le silicium grâce aux bonnes propriétés suivantes :
    • Large bande interdite.
    • Bonne conductivité et stabilité thermique.
    • Mobilité des porteurs de charges importantes.
    • Bonne résistance mécanique.
    • Bonne résistance aux rayonnements.

La large bande interdite permet au carbure de silicium de travailler à de hautes températures avec des courants et tensions élevés, de supporter des densités de puissance importantes et de réduire les pertes. Les wafers ont jusqu’à maintenant des diamètres de 150 mm et une transition vers des diamètres de 200 mm est en cours. Ce matériau est destiné à des applications électroniques en milieux « hostiles » tels que les secteurs militaire et spatial et surtout aux automobiles électriques. En 2019, le groupe franco-italien STMicroelectronics a acheté la société suédoise Norstel qui produit à Norrkoping, en Suède, des wafers de 150 mm de diamètre en vue de produire, en Europe, à compter de 2022 des wafers de 200 mm. Par ailleurs, la société Wolfspeed a construit une usine de wafers en SiC de 200 mmm à Mohawk Valley dans l’État de New York qui a été inaugurée en avril 2022. Un autre producteur important est la société SiCrystal, filiale du groupe japonais Rohm.

Bibliographie

Archives

Carbure de silicium 2023

Carbure de silicium 2022

Carbure de silicium 2019

Carbure de silicium 2015

Carbure de silicium 2014

Carbure de silicium 2011

Carbure de silicium 1994

Carbure de silicium 1993

Ferrosilicium

Données industrielles

Les ferrosiliciums contiennent, en masse, de 8 à 95,1 % de silicium, celui à 75 % de silicium étant le plus utilisé. Ils représentent les 4/5 de l’utilisation du silicium (hors silice) et 19,5 % de la production de ferro-alliages.

Les ferrosilicomanganèses renferment de 60 à 75 % de Mn et de 10 à 35 % de Si. Celui produit par Eramet en Norvège contient 65 % de Mn et 17 % de Si.

Autres ferro-alliages contenant du silicium : silico-ferro-chrome, ferro-silico-aluminium, silico-ferro-titane, silico-calcium, ferro-silico-magnésium.

Répartition de la production de ferroalliages en fonction de leur nature : en 2018.

en %
FeSiMn 29,1 FeMn 15,3
FeCr 23,7 Si* 7,4
FeSi 19,5 FeNi 4,9

Source : IOP Conference Serie, Mater. Sci. Eng., 866 (2020)

*Le silicium ayant un mode de production identique à celui des ferroalliages, il est rattaché à ces derniers.

Matières premières

Quartz, ferrailles et coke métallurgique, houille ou coke de pétrole.

Fabrication industrielle

Ils sont élaborés au four électrique à électrodes immergées, comme le silicium, par réduction de SiO2, à l’aide de coke, en présence de ferrailles. L’électricité représente 20 à 25 % des coûts de production (8 500 kWh/t de ferrosilicium à 75 %). La fumée de silice produite est récupérée pour élaborer des bétons hautes performances (voir le chapitre silices synthétiques).

Productions

En 2022, la production mondiale de ferrosilicium était de 8,36 millions de t, celle de ferrosilicomanganèse, en 2021, de 15,8 millions de t et celle de ferro-chrome-silicium, en 2019, de 189 000 t. La production dans l’Union européenne de ferrosilicium, en 2014, était de 244 600 t, celle de ferrosilicomanganèse de 179 000 t.

en milliers de t d’alliage
Fe-Si
en 2022		 Si-Mn
en 2021		 Fe-Si
en 2022		 Si-Mn
en 2021
Chine 5 800 10 650 Ukraine 43 663
Russie 880 52 Inde 90 2 276
Norvège 300 307 Brésil 290 203
États-Unis, estimation 250 – Bhoutan 116 –
Malaisie 140 335 Slovaquie 12 49
Islande 122 – Arabie Saoudite – 65
Espagne 71 77 Kazakhstan 148 132
Afrique du Sud 60 151 Corée du Sud 29 146
Géorgie – 323 Mexique – 171

Source : USGS

En 2019, la production chinoise de ferrosilicium représente 66 % de la production mondiale, celle de ferrosilicomanganèse, en 2018, 67 % de la production mondiale.

Commerce international : en 2023.

Pour le ferrosilicium à plus de 55 % de Si :

Principaux pays exportateurs sur un total de 2,558 millions de t, en 2021.

en tonnes
Chine 379 353 Kazakhstan 132 773
Russie 302 223 Bhoutan 126 254
Malaisie 177 221 Islande 95 308
Brésil 170 891 Pologne 57 903
Norvège 167 417 Iran 56 451

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 24 % au Japon, 22 % à la Corée du Sud, 9 % à l’Indonésie, 7 % au Mexique.

Principaux pays importateurs sur un total de 2,511 millions de t, en 2022.

en tonnes
Japon 348 875 Italie 119 460
Corée du Sud 212 334 Turquie 104 044
États-Unis 198 552 Pays Bas 90 815
Allemagne 163 201 Belgique 89 063
Inde 162 021 Taipei chinois 71 352

Source : ITC

Les importations japonaises proviennent à 27 % de Chine, 22 % de Russie, 20 % de Malaisie, 17 % du Brésil, 6 % d’Islande.

Pour les ferrosilicomanganèse :

Principaux pays exportateurs sur un total de 3,493 millions de t, en 2022 :

en tonnes
Inde 1 318 320 Géorgie 157 637
Ukraine 332 387 Kazakhstan 156 518
Malaisie 284 600 Zambie 113 370
Norvège 280 858 Italie 102 370
Pologne 161 774 Afrique du Sud 87 038

Source : ITC

Les exportations indiennes sont destinées à 14 % à l’Italie, 13 % au Japon, 8 % aux Émirats Arabes Unis, 7 % à Taipei chinois.

Principaux pays importateurs sur un total de 3,620 millions de t, en 2022 :

en tonnes
États-Unis 280 649 Émirats Arabes Unis 106 344
Turquie 248 294 Russie 104 919
Japon 239 694 Indonésie 103 885
Pologne 219 831 Taipei chinois 95 961
Allemagne 181 627 Égypte 91 815

Source : ITC

Les importations des États-Unis proviennent à 20 % d’Afrique du Sud, 18 % d’Australie, 16 % de Géorgie, 14 % du Mexique, 11 % de Malaisie.

Producteurs :

  • En Chine : le n°1 mondial est Erdos Metallurgy Group avec une capacité de production, à Erdos, en Mongolie Intérieure de 850 000 t/an de ferrosilicium et 300 000 t/an de ferrosilicomanganèse.
  • En Russie : RFA International produit, dans son usine de Chelyabinsk avec 35 fours et dans celle de Kuznetsk, avec 15 fours, 450 000 t/an de ferrosilicium. Mechel, a produit, en 2021, dans son usine de Bratsk, 77 700 t de ferrosilicium à 65 et 75 % de Si, pour une capacité de 87 300 t/an.
  • En Ukraine avec les filiales du groupe Privat : Nikopol Ferroalloy Plant, à Nikopol, avec 1 million de t/an de ferrosilicomanganèse et Zaporizhiya Ferroalloys, avec, en 2019, une production de 62 600 t de FeSi à 65 % de Si et 143 200 t de FeSiMn à 17 % de Si.
  • Aux États-Unis :
  • En Norvège :
    • Elkem, voir ci-dessous.
    • Finnfjord produit, dans 3 fours, 100 000 t/an dans son usine située près de Finnsnes, en Norvège.
    • Eramet produit du ferrosilicomanganèse (voir ci-dessous).

FerroGlobe, issu de la fusion, en 2015, de FerroAtlantica et de Globe Speciality Metal, produit du ferrosilicium en Espagne, au Venezuela, aux États-Unis, en Afrique du Sud et en France. Par ailleurs, a acquis, en février 2018, les activités de Glencore dans le manganèse avec, en particulier, l’élaboration de ferrosilicomanganèse à Mo i Rana, en Norvège. Ses capacités de production sont de 343 000 t/an de ferrosilicium et 289 500 t/an de ferrosilicomanganèse et, en 2023, les ventes de ferrosilicium ont été de 147 874 t et celles d’autres alliages de silicium comme Ca-Si, de 43 557 t.

  • En Espagne, les usines sont situées en Huesca, à Monzon (33 000 t/an de Si-Mn), en Cantabrique, à Boo (68 000 t/an de Si-Mn). Les usines de Galicie, à Cee (18 000 t/an de Fe-Si et 34 000 t/an de Si-Mn) et à Dumbria (61 000 t/an de Fe-Si) ont été vendues en juin 2019.
  • Aux États-Unis, les usines, avec 85 000 t/an de Fe-Si, sont situées dans l’Ohio, à Beverly et dans l’Alabama, à Bridgeport.
  • Au Venezuela, l’usine est située à Puerto Ordaz avec 23 000 t/an de Fe-Si et 22 000 t/an de Si-Mn.
  • En Afrique du Sud, les usines, avec 67 000 t/an de Fe-Si, sont situées à New Castle et eMalahleni.
  • En Norvège, la production est réalisée à Mo i Rana, avec 125 000 t/an de SiMn.
  • Pour la France, voir ci-dessous.

Par ailleurs Ferroglobe produit du silico-calcium, en Argentine à Mendoza avec 21 000 t/an et en France à Château Feuillet (73) avec 15 000 t/an.

Elkem, filiale du groupe chinois Bluestar, produit du ferrosilicium :

  • en Norvège, dans ses usines de Bremanger avec 32 000 t/an, Bjølvefossen avec 60 000 t/an, Rana avec 90 000 t/an,
  • en Islande à Akranes avec 120 000 t/an,
  • au Canada, province du Québec, à Chicoutimi avec 45 000 t/an,
  • au Paraguay, à Limpio avec 11 000 t/an.

Eramet, a produit, en 2021, 276 000 t de ferrosilicomanganèse standard ainsi que du ferrosilicomanganèse affiné, avec des usines :

  • en Norvège, à Sauda, Porsgrunn et Kvinesdal, avec 165 000 t/an,
  • en France, à Dunkerque, avec 70 000 t/an,
  • aux États-Unis à Marietta,
  • au Gabon, à Moanda, avec 65 000 t/an.

Situation française

Production : production, en 2021, de 44 000 t de ferrosilicium et de 68 000 t de ferrosilicomanganèse.

Producteurs :

  • La production de FerroGlobe (ex-Pechiney Électrométallurgie racheté par FerroAtlantica devenu FerroGlobe) est effectuée à Laudun (30) avec 35 000 t/an de Fe-Si, Pierrefitte (65) avec 14 000 t/an de silicoalliages. En 2021, l’usine de Château Feuillet (73) a été fermée.
  • Eramet produit du ferrosilicomanganèse dans son usine de Dunkerque, avec une capacité de production de 70 000 t/an.

Commerce extérieur : en 2024.

  • Ferrosilicium à plus de 55 % de Si :
    • Les exportations étaient de 40 198 t avec comme principaux marchés à :
      • 55 % l’Allemagne,
      • 12 % l’Inde,
      • 9 % l’Espagne,
      • 6 % la Pologne,
      • 5 % l’Italie.
    • Les importations s’élevaient à 32 236 t en provenance principalement à :
      • 17 % d’Allemagne,
      • 16 % de Norvège,
      • 11 % du Brésil,
      • 10 % d’Italie,
      • 7 % de Pologne.
  • Ferrosilicomanganèse :
    • Les exportations étaient de 21 128 t avec comme principaux marchés à :
      • 68 % l’Allemagne,
      • 10 % le Royaume Uni,
      • 5 % l’Autriche,
      • 4 % les Pays Bas.
    • Les importations s’élevaient à 70 182 t en provenance principalement à :
      • 59 % de Norvège,
      • 19 % d’Italie,
      • 6 % des Pays Bas,
      • 6 % de Géorgie.

Utilisations

Consommations : la consommation européenne est d’environ 950 000 t/an de ferrosilicium.
En 2019, la consommation des États-Unis a été de 217 000 t de ferrosilicium et de 143 000 t de ferrosilicomanganèse.

Secteurs d’utilisation du ferrosilicium

En 2016, dans le monde. Source : Roskill

en %
Élaboration des aciers 69 % Alliages de magnésium 13 %
Fontes de moulage 17 %

Source : Roskill

Sidérurgie : comme désoxydant des aciers et élément d’alliage (pour plaques de transformateur et aciers inoxydables). Utilisation de 3 à 4 kg de ferrosilicium/t d’acier et environ 10 kg de ferrosilicium par tonne d’acier inoxydable.

Élaboration de Mg par silicothermie (voir le chapitre consacré au magnésium).

Bibliographie

Archives

Ferrosilicium 2023

Ferrosilicium 2022

Ferrosilicium 2019

Ferrosilicium 2016

Ferrosilicium 2014

Ferrosilicium 2010

Ferrosilicium 1992

Silice

Données physico-chimiques

Données atomiques

Formule Masse molaire
SiO2 60,08 g.mol-1

Structures cristallines, les principales formes sont les suivantes :

  • Quartz alpha : rhomboédrique, de paramètres a = 0,491 nm, c = 0,541  nm,
  • Quartz bêta : hexagonale, de paramètres a = 0,500 nm, c = 0,546 nm,
  • Tridymite bêta : hexagonale, de paramètres a = 0,504 nm, c = 0,824 nm,
  • Cristobalite bêta : cubique, de paramètre a = 0,717 nm,
  • Tridymite alpha : orthorhombique, de paramètres a = 0,874 nm, b = 0,505 nm, c = 0,824 nm,
  • Cristobalite alpha : quadratique, de paramètres a = 0,498 nm, c = 0,695 nm.

Domaines stabilité et formation :

  • Quartz alpha à T < 573°C,
  • Quartz bêta entre 573°C et 870°C,
  • Tridymite bêta entre 870°C et 1470°C,
  • Cristobalite bêta entre 1470°C et 1705°C (fusion),
  • Tridymite alpha par refroidissement brusque de la forme bêta à 114°C,
  • Cristobalite alpha par refroidissement brusque de la forme bêta à 270°C.

Données physiques

Masse volumique Dureté Température de fusion Température d’ébullition Solubilité dans l’eau
  • Quartz alpha : 2,65 g.cm-3
  • Quartz bêta : 2,53 g.cm-3
  • Tridymite bêta : 2,25 g.cm-3
  • Cristobalite bêta : 2,20 g.cm-3
  • Tridymite alpha : 2,35 g.cm-3
  • Cristobalite alpha : 2,33 g.cm-3
 7
  • Quartz : 1 610°C
  • Tridymite : 1 703°C
  • Cristobalite : 1 713°C
 2 230°C insoluble

Données chimiques

pKa : H4SiO4/H3SiO4– pKa : H3SiO4–/H2SiO42- E° : SiO2(s) + 4H+ + 4e = Si(s) + 2H2O
9,7 11,9 -0,86 V

Données thermodynamiques

Silice sous forme de quartz :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -910,7 kJ.mol-1
  • Enthalpie libre molaire standard de formation à 298,15 K : -856,3 kJ.mol-1
  • Entropie molaire standard à 298,15 K : S° = 41,5 J.K-1mol-1
  • Capacité thermique molaire sous pression constante à 298,15 K : Cp° = 44,4 J.K-1mol-1
  • Enthalpie molaire standard de fusion à la température de fusion : 8,5 kJ.mol-1
 Silice gazeuse :

  • Enthalpie molaire standard de formation à 298,15 K : -322,3 kJ.mol-1

Données industrielles

Voir les chapitres silices naturelles et silices synthétiques

Silices synthétiques

Données industrielles

Les silices synthétiques sont constituées de dioxyde de silicium de grande pureté. Elles se présentent sous forme d’une poudre blanche et leurs propriétés dépendent de leur mode de fabrication.

Polymorphes de silice


Source : CEFIC-ASASP, 2002

En 2016, la production mondiale de silices synthétiques (précipitées, pyrogénées, gels et sols) est de 3,2 millions de t. En 2023, la production de l’Union européenne est de 793 583 t dont 184 698 t en France, 179 142 t en Allemagne, en 2022, 158 029 t en Belgique, 94 904 t en Espagne, 36 310 t en Italie, 10 667 t en Suède, en 2022.

Répartition de la production entre des différents types de silices, hors microsilice (fumée de silice) : en 2017.

en %
Précipitée 62 % Colloïdale 8 %
Gel 12 % Pyrogénée 7 %
Fondue 11 %

Source IHS

Commerce international : en 2023, pour tous les types de silices synthétiques.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 2,214 millions de t :

en tonnes
Chine 996 975 Taipei chinois 76 813
Allemagne 164 328 Inde 71 650
États-Unis 112 861 Pologne 67 969
Norvège 98 083 Thaïlande 64 436
France 97 829 Belgique 46 890

Source : ITC

Les exportations chinoises sont destinées à 11 % à l’Arabie Saoudite, 10 % au Vietnam, 9 % aux Émirats Arabes Unis, 7 % au Japon.

Les exportations françaises sont destinées à 30 % à l’Allemagne, 14 % à l’Italie, 12 % au Portugal, 6 % au Royaume Uni.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
États-Unis 149 432 Inde 99 218
Japon 144 617 Mexique 97 617
Arabie Saoudite 123 111 Allemagne 93 816
Vietnam 118 839 Corée du Sud 92 199
Émirats Arabes Unis 99 717 Chine 80 722

Source : ITC

Les importations des États-Unis proviennent à 72 % de Chine, 5 % d’Allemagne.

Les importations françaises, avec 62 711 t, proviennent à 24 % d’Allemagne, 12 % des Pays Bas, 6 % d’Espagne.

Silices précipitées

Elles représentent, avec 2,3 millions de t, 72 % de la production mondiale des silices amorphes synthétiques. Ces silices sont caractérisées par une grande porosité.

Élaboration industrielle :

Elles sont obtenues par action d’un acide (principalement H2SO4, mais aussi HCl, CO2…) sur une solution de silicate de sodium (de rapport molaire SiO2/Na2O compris entre 2 et 3,5). Le pH est maintenu supérieur à 7, la concentration de la solution est de 40 à 150 g de SiO2/L.

(SiO2)x(Na2O)y,nH2O + y H2SO4 = x SiO2 + y Na2SO4 + (y+n) H2O

Le silicate de sodium est préparé soit par fusion alcaline (avec Na2CO3), à 1050-1100°C, du sable naturel, soit par attaque à 180-220°C du sable par la soude. En 2021, la production de l’Union européenne, comptée en silice contenue, est de 1,706 million de t, dont 840 289 t en Allemagne, 387 355 t en Espagne, 54 696 t en France, 43 196 t en Suède, 38 307 t en Italie. Autres utilisations du silicate de sodium : dans les détergents, le collage des cartons, pour la préparation des zéolithes.

Consommations par t de silice précipitée par H2SO4, le silicate étant préparé par fusion alcaline :

Sable Na2CO3 H2SO4
1 050 kg 500 kg 430 kg

 

Propriétés : insolubles dans les acides (sauf HF) et solubles dans les solutions basiques (de pH > 9). Surface spécifique de 20 à 600 m2/g. Les groupes silanols (Si-O-H) présents en surface leur confèrent leur caractère hydrophile. L’eau physisorbée peut être éliminée à 180°C.

Principaux producteurs :

  • Evonik (Allemagne), n°1 mondial avec une capacité de production de silice synthétique (précipitée et pyrogénée) de 600 000 t/an. Pour la silice précipitée la production est réalisée aux États-Unis à Chester, en Pennsylvanie et à Goose Creek, en Caroline du Sud, en Thaïlande à Map Ta Phut, en Allemagne à Wesseling, en Espagne à Zubillaga-Lantaran, en Turquie à Adapazari, en Inde à Gajraula, au Japon à Akoh, à Taipei chinois à Ta Yuan, en Chine dans une joint venture à Nanping et au Brésil à São Paulo. En septembre 2017, Evonik a acquis les activités dans la silice de J.M. Huber Corporation (États-Unis), qui possède des unités de production aux États-Unis à Etowa, dans le Tennessee et Havre de Grace dans le Maryland, en Chine à Qingdao, avec 40 000 t/an, en Belgique à Ostende, en Finlande à Hamine, en Inde à Jhagadia.
  • Solvay, produit des silices précipitées dans 10 sites dont Collonges-au-Mont-d’Or, en France, Chicago Heights (Illinois, États-Unis), Qingdao (province de Shandong, Chine) avec 2 sites de production et 112 000 t/an, Inchéon et Gunsan, avec 80 000 t/an (Corée du Sud), Paulinia (Brésil), Barquisimeto (Venezuela), Livorno (Italie) et Wloclaweck (Pologne) avec 85 000 t/an. Au total, Solvay produit près de 500 000 t/an.
  • PPG (États-Unis), aux États-Unis à Lake Charles, en Louisiane et Barberton, dans l’Ohio et aux Pays Bas à Delfzijl.
  • Le groupe taïwanais OSC (Oriental Silicas Corporation) produit des silices précipitées, à Sanyi et Taichung, à Taipei chinois, à Rayong, en Thaïlande, à Nanji, dans la province de Jiangxi et à Lianji, dans la province de Jiangsu, en Chine.

Situation française : production par Solvay à Collonges-au-Mont-d’Or (69) avec une capacité de production de 400 000 t/an et une production, en 2014, de 206 000 t.

Utilisations : principalement dans les pneumatiques (pneus verts), en association avec le noir de carbone jusqu’à 50-50, elles diminuent de 30 % leur résistance au roulement et ainsi entraînent une consommation moindre de carburant pouvant atteindre 7 %. Leur adhérence au caoutchouc est assurée par un organosilane. Des pneus ne contenant que de la silice à la place du noir de carbone peuvent être colorés dans la masse.

Pour le renforcement des élastomères des semelles des chaussures de sport, en remplacement des noirs de carbone qui présentent l’inconvénient de laisser des traces noires sur le sol.

Dans les dentifrices elles apportent leur pouvoir polissant et nettoyant et permettent de régler la rhéologie des pâtes.

Pouvant adsorber 2 fois leur masse de liquide, elles sont utilisées comme support de liquides visqueux et hygroscopiques afin de les transformer en poudre sèche (vitamines A et E…). Fixant l’humidité, elles s’opposent à la prise en masse de poudres (antimottage) et ainsi sont utilisées comme fluidifiant du sel de table, de la poudre de café, du sucre glace, de la lessive en poudre…

Utilisées dans la fabrication de papiers spéciaux : comme couche barrière pour éviter la pénétration du solvant de l’adhésif dans le papier des étiquettes autocollantes.

Elles sont utilisées comme activateur des bétons projetés à la place de l’aluminate de calcium.

Gel de silice (silicagel)

Élaboration industrielle :

Obtenu de la même façon que les silices précipitées mais à pH < 7. La suspension d’hydrogel formé est filtrée, lavée et séchée. Sans frittage on obtient un aérogel, avec frittage, un xérogel. Très poreux (sa surface spécifique est comprise entre 300 et 1000 m2.g-1, avec un diamètre des pores d’environ 2,5 nm), très hydrophile, il peut adsorber de l’eau jusqu’à plus de 40 % de sa masse. Sa teneur en silice est supérieure à 95 %.

Producteur : Cabot produit des aérogels à Frankfurt, en Allemagne.

Utilisations : comme agent desséchant dans les laboratoires. L’industrie des dentifrices et des cosmétiques utilise du gel de silice comme abrasif et épaississant.
Les aérogels sont utilisés dans l’isolation thermique et phonique.

Sols de silice (silice colloïdale)

Ce sont des suspensions stables, dans l’eau, de particules quasi sphériques (de 10 à 100 nm de diamètre), de concentration en SiO2 en général inférieure à 50 % en masse. Obtenus par passage d’une solution de silicate de sodium sur des résines échangeuses de cations.

Utilisations : agent de polissage des plaquettes de silicium pour applications en microélectronique. Après coagulation, utilisés comme liant de produits réfractaires, précurseur pour la fabrication de fibres minérales de silice, support de catalyseurs, donnent des propriétés anti salissantes et antistatiques aux revêtements de sols ainsi que dans des textiles, clarifient des boissons et également incorporés comme charges dans les vernis et les peintures.

Silices pyrogénées ou de pyrohydrolyse

Elles sont aussi dénommées « Fumed silica » en anglais. A ne pas confondre avec la microsilice ou « fumée de silice » en français co-produit de l’élaboration du silicium et de ferroalliages de silicium.

Élaboration industrielle :

Elles sont formées par hydrolyse du tétrachlorure de silicium (SiCl4) à 1000°C, dans la flamme d’un chalumeau air-dihydrogène, la vapeur d’eau provenant de la combustion du dihydrogène.

SiCl4 + 2 H2O = SiO2 + 4 HCl

De haute pureté (> 99,8 % en silice), elles présentent naturellement un caractère hydrophile. Toutefois elles peuvent être rendues hydrophobes par un traitement de surface à l’aide d’un organosilane comme le diméthyldichlorosilane.

Production : en 2018, la production mondiale a atteint 281 000 t.

Producteurs :

  • Evonik (Allemagne) exploite 8 usines, en Allemagne à Rheinfelden et Leverkusen, aux États-Unis à Mobile, dans l’Alabama et Waterford, dans l’État de New-York, en Belgique à Anvers, en France à Roussillon, au Japon à Yokkaichi, en Thaïlande à Map Ta Phut. Est partenaire du groupe chinois Wynca dans une joint venture à Zhenjiang dans la province de Jiangsu.
  • Cabot (États-Unis), aux États-Unis à Tuscola, dans l’Illinois, à Midland, dans le Michigan et à Billerica, dans le Massachusetts, en Chine dans la province de Jiangxi, au Royaume Uni à Barry, en Allemagne à Rheinfelden, en Inde avec 50 % d’une usine à Mettur Dam. En 2019, a construit une usine en Chine, à Wuhai, en Mongolie Intérieure, avec 80 % des parts et 20 % à Inner Mongolia Hengyecheng Silicone et au États-Unis, en 2020, en collaboration avec Dow, à Carrollton, au Kentucky.
  • Wacker (Allemagne), en Allemagne à Burghausen et Nünchritz et en Chine à Zhangjiagang, dans une joint venture avec Dow. A construit une usine à Charleston, dans le Tennessee, aux États-Unis, avec une capacité de production de 13 000 t/an, qui a été opérationnelle en octobre 2019.
  • Tokuyama, produit, à Tokuyama, au Japon.
  • OCI, produit en Corée du Sud, à Gunsan avec 9 000 t/an et en Chine à Tangshan, dans la province du Hebei, avec 6 000 t/an.

Situation française : production par Evonik, à Roussillon (38), avec une capacité de production de 8 000 t/an.

Utilisations : afin de renforcer les élastomères silicones et les résines PVC. Grâce à leurs propriétés thixotropiques elles permettent de contrôler la rhéologie d’encres, peintures et adhésifs. Elles sont également employées dans les industries agroalimentaire (additif E 551) et pharmaceutique pour épaissir les liquides ou faciliter l’écoulement des poudres et empêcher leur prise en masse.

Secteurs d’utilisation : répartition, en 2016.

en %
Peintures, revêtements 31 Cosmétiques 10
Adhésifs 20 Batteries 5
Silicones 16 Résines polyester 4
Pharmacie 12 Autres 2

Source : Market Research Future

Silices à l’arc

Elles sont obtenues par fusion, à 1800-2100°C, de sable de grande pureté (pureté en SiO2 supérieure à 99,8 % en masse), à l’arc électrique, pendant environ 15 h. Le verre de silice obtenu est coulé en lingots qui sont ensuite broyés. Elles présentent une résistance importante aux chocs thermiques et ont une faible conductibilité thermique. Elles sont utilisées pour l’encapsulation de composants électroniques.

Microsilice (ou fumée de silice)

A ne pas confondre avec la silice pyrogénée appelée « fumed silica » en anglais. En anglais la microsilice est dénommée « silica fume »

Élaboration industrielle : sous-produit de la fabrication du silicium, du ferrosilicium et des silico-alliages.

L’élaboration du silicium et du ferrosilicium a lieu, par électrométallurgie, dans des fours à électrodes de carbone immergées selon la réaction globale suivante pour le silicium :

SiO2 + 2 C = Si + 2 CO

La cuve du four est animée d’un lent mouvement de rotation. La température est de l’ordre de 1700°C. La difficulté de la réduction est liée à la formation de SiC qu’il faut éviter. En réalité, les réactions se produisant sont complexes et en particulier la silice est en partie, pour 10 à 25 % de la charge initiale, réduite en monoxyde de silicium SiO, gazeux, qui s’oxyde hors du four, à l’air, en dioxyde de silicium dénommé fumée de silice, récupéré dans des filtres à manche.

Les particules, amorphes, ont des dimensions de 0,01 à 1 µm. Les particules, possédant une surface spécifique de 15 à 25 m2/g, sont très réactives.

Source : http://www.concrete.elkem.com/dav/2c7d946881.pdf

La production d’une tonne de silicium génère de 400 à 500 kg de fumée de silice. Une tonne de ferrosilicium (à 75 %), de 200 à 250 kg.

Jusqu’en 1985, cette silice n’était pas valorisée. Ces « poussières » étaient d’abord rejetées dans l’atmosphère puis, pour protéger l’environnement, récupérées par filtration des fumées et placées en décharge.

Productions : la production mondiale est estimée, en 2017, à 1,8 million de t/an, à 53 % en Chine.

Producteurs : ce sont les producteurs de silicium et de ferrosilicium.

Capacité mondiales de production, en 2017 :

en milliers de t/an
Eramet 479 Ferroglobe 206
Privat Group 450 Elkem 200
South32 380 Vale 165

Source : Ferroglobe

Le groupe FerroGlobe, possède des capacités de production de 206 000 t/an, avec des usines en France (voir ci-dessous), en Espagne à Cee avec 3 500 t/an, Dumbría avec 14 500 t/an et Sabón avec 17 000 t/an, en Afrique du Sud à Polokwane avec 25 000 t/an et Rand Carbide avec 16 500 t/an, au Venezuela avec 22 000 t/an. En 2015, les ventes ont été de 154 683 t. Produit également de la fumée de silice, aux État-Unis, au travers de sa filiale, Norchem, dans l’Ohio, à Beverly, dans l’Alabama, à Selma et Bridgeport, en Virginie Occidentale à Alloy, dans l’État de New York, dans une joint venture détenue à 51 % avec Dow, à Niagara Falls et au Canada, à Bécancourt, dans une joint venture détenue à 51 % avec 49 % pour Dow.

Elkem (Norvège), filiale du groupe chinois Bluestar, produit de la microsilice en Norvège, à Bremanger, Salten, Rana, avec 23 000 t/an, Thamshavn et en Chine à Lanzhou, dans la province de Gansu. Commercialise 300 000 t/an dont 100 000 t/an provenant d’autres producteurs.

Situation française : production par FerroGlobe, de 76 000 t/an de fumée de silice, dans les usines suivantes :

  • Anglefort (01) : 18 500 t/an lors de la production de silicium.
  • Château Feuillet (73) : 12 000 t/an lors de production de silicium, ferrosilicium et silicocalcium. En 2021, l’usine a fermé.
  • Montricher (73) : 13 500 t/an, lors de la production de silicium.
  • Les Clavaux (38) : 15 000 t/an lors de la production de silicium.
  • Laudun (30) : 13 000 t/an, lors de la production de silicium et de ferrosilicium.
  • Pierrefitte (65) : 4 000 t/an, lors de la production de silico et ferroalliages.

Utilisation :  dans les bétons hautes performances, à des teneurs d’environ 10 %. Elle augmente la fluidité, la résistance à la compression (qui passe, à 28 jours, de 20-40 MPa à 60-120 MPa) et diminue la perméabilité (voir le chapitre ciments). Les particules de fumée de silice réagissent avec l’hydroxyde de calcium libéré lors de l’hydratation du ciment en donnant un silicate de calcium hydraté faisant prise comme le ciment.

Cristaux monocristallins de quartz alpha (de haute pureté)

Élaboration industrielle : depuis 1955, date de la première mise sur le marché, par croissance hydrothermale, à partir d’une solution de SiO2 dans NaOH, à 360°C et 1,7 kbar. Il faut environ 2 mois pour obtenir un quartz d’un kg par croissance à partir de lames minces orientées de quartz naturel ou de chutes de fabrication de quartz de culture. Des quartz de 7 kg peuvent être ainsi obtenus.
Afin de garantir l’approvisionnement du pays en germes de croissance, fin septembre 2019, le stock des États-Unis s’élève à 7 148 kg de quartz naturel avec des cristaux de 0,2 à 10 kg.

Production :

La production mondiale est estimée à 4 000 t/an (45 % en Asie, 30 % en Amérique du Nord, 20 % en Russie).

Producteurs : les principaux producteurs sont chinois mais aussi japonais avec Murata, Shin Etsu, Kyocera…. Aux États-Unis, avec Sawyer, à Eastlake, dans l’Ohio, en Russie, par le groupe Mineral, à Alexandrov, région de Vladimir.

Utilisations :
La consommation des États-Unis, en 2017, est estimée entre 3 000 et 6 000 kg.

Utilisés comme matériau piézo-électrique (dans les filtres de fréquence, l’électromécanique (déplacements du microscope à effet tunnel), montres…).

Bibliographie

Archives

Silices synthétiques 2023

Silices synthétiques 2022

Silices synthétiques 2019

Silices synthétiques 2015

Silices synthétiques 2006

Silices synthétiques 1995

Silices synthétiques 1990

Silices naturelles

Données industrielles

Diatomite  ou kieselguhr

C’est une roche sédimentaire formée par l’accumulation de squelettes internes d’algues, les diatomées, fossilisées, avec une vitesse de sédimentation qui peut varier de quelques mm à 2,5 cm/an. Formée de silice amorphe, sous forme d’opale, elle contient près de 65 % d’eau avec, après séchage, une teneur de 86 à 94 % de silice. Après calcination à environ 1000°C, la granulométrie est de l’ordre de 5 à 15 µm. Elle possède une surface spécifique élevée.

 

Exploitations minières et traitements :

Dans les gisements sont présentes plusieurs variétés de diatomées. Si cela est possible, les diverses variétés, possédant leurs propres propriétés, sont extraites séparément. Sur des lieux proches des installations minières, des traitements de calcination sont effectués, après séchage, pour agglomérer, par frittage, les particules extraites. En effet, celles-ci sont pour la plupart des applications de dimensions trop faibles. Un traitement de calcination, en présence d’un fondant, le carbonate de sodium, vers 1000°C, permet une fusion limitée à la surface des particules qui agglomère les particules tout en évitant une fusion du cœur qui perdrait ses propriétés.

Les gisements français du Cantal se sont formés à la fin du Miocène, entre 9 et 5 millions d’années. Parmi les 12 000 espèces de diatomées ils renferment 3 espèces : cyclotella et melosira de symétrie radiale et synedra de symétrie axiale. Le gisement d’Auxillac-Foufouilloux, près de Murat, a une épaisseur de 20 m et une surface de 800 m sur 1,3 km. Il est recouvert par des moraines sur une épaisseur d’environ 25 m.

Production de diatomite

En 2024, en milliers de t, dans le monde, sur un total de 3 millions de t. Source : USGS

en milliers de t
États-Unis 880 Argentine 100
Danemark 530 Mexique 100
Chine 370 Pérou 100
France 250 Allemagne 50
Turquie 240 Mozambique 50

Source : USGS

En 2018, la production de l’Union européenne (Danemark, France…) est de 653 000 t. Dans le monde, il y a 23 pays producteurs.

Le plus important gisement mondial, exploité par le groupe français Imerys, se situe aux États-Unis, près de Lompoc, en Californie. Dans ce pays, en 2015, 79 % de la production provient de Californie et du Nevada. Au total, il y a, en 2021, 12 mines en activité.

Au Danemark, la roche exploitée principalement dans les îles de Fur et Mors, appelée molder, contient 30 % d’argile.

Réserves : les réserves mondiales sont estimées à 1 milliard de t dont 25 % aux États-Unis et 11 % en Chine.

Commerce international : en 2023.

Principaux pays exportateurs, sur un total de 233 369 t :

en tonnes
États-Unis 53 792 Danemark, en 2019 19 016
Allemagne 28 808 Argentine 11 321
Chine 28 774 Portugal 10 631
Pérou 22 448 Russie 9 149
France 22 160 Canada 7 510

Source : ITC

Les exportations des États-Unis sont destinées à 27 % au Canada, 10 % à la Belgique, 10 % à l’Allemagne, 6 % au Brésil.

Principaux pays importateurs :

en tonnes
Allemagne 33 307 République tchèque 11 864
Brésil 25 826 États-Unis 11 566
Belgique 18 874 Chine 9 984
Autriche 16 955 Équateur 9 956
Canada 14 611 Royaume Uni 9 915

Source : ITC

Les importations allemandes proviennent à 38 % du Danemark, 28 % des États-Unis, 18 % de Russie, 5 % de France.

Principaux producteurs :

  • Le n°1 mondial est le groupe français Imerys, avec des exploitations, aux États-Unis, à Lompoc en Californie, Quincy au Nevada et Fernley dans l’État de Washington, en France, à Murat (15), en Espagne, au Chili, en Chine, au Mexique, au Pérou et au Danemark après l’achat, en 2017, de la société Damolin. Début 2025 a acquis les carrières françaises de diatomite de Chemviron.
  • EP Minerals, aux États-Unis, à Lovelock, Clark et Fernley, dans le Nevada et à Vale dans l’Oregon. En mai 2018 a été acquis par US Silica. La production de l’usine de Lovelock, approvisionnée par la mine de Colado, est, en 2021, de 151 000 t et les réserves prouvées et probables sont de 4,05 millions de t. La capacité de l’usine Vale, approvisionnée par la mine Celaton, est de 120 000 t/an avec, une production, en 2020, de 95 000 t et des réserves de 40 millions de t. La production de Clark, en 2020, est de 62 000 t avec des réserves prouvées et probables de 3,4 millions de t et celle de Fernley de 42 000 t avec des réserves prouvées et probables de 6 millions de t.
  • Dicalite, aux États-Unis, à Basalt, au Nevada et Burney, en Californie.
  • Showa Minerals (Japon), dans les préfectures d’Akita, Okayama, dans l’ïle de Honshu et Oita, dans l’île de Kyushu, au Japon et dans la province de Jilin, en Chine, avec l’exploitation du gisement de Changbaishan.
  • Calgon Carbon (Chemviron pour les activités européennes) qui a acquis, en novembre 2016, les activités, en France, dans le charbon actif et les agents de filtration, dont la diatomite, de CECA, filiale du groupe Arkema. Calgon Carbon a été acquis, en mars 2018, par la société japonaise Kuraray. Les carrières françaises de diatomite ont été acquise, début 2025, par Imerys.

Situation française : exploitation de carrières par Chemviron, à Saint Bauzile (07) et Auxillac-Foufouilloux, près de Murat (15), ce dernier gisement étant également exploité par Imerys. Chemviron traite la diatomite d’Auxillac-Foufouilloux à Riom-ès-Montagnes (15) avec une capacité de production de 27 000 t/an alors que celle extraite par Imerys, avec 60 000 t/an, est traitée à Murat (15). Début 2025, les carrières de Chemviron ont été acquises par Imerys.

Les exportations, en 2024, étaient de 22 574 t avec comme principaux marchés à :

  • 16 % l’Espagne,
  • 11 % la Finlande,
  • 7 % la Belgique,
  • 6 % l’Allemagne,
  • 6 % le Royaume Uni.

Les importations, en 2024, s’élevaient à 14 475 t en provenance principalement à :

  • 30 % du Danemark,
  • 21 % de Belgique,
  • 16 % d’Espagne,
  • 11 % d’Allemagne
  • 6 % du Luxembourg,
  • 5 % des États-Unis.

Utilisations :

Consommation : en 2021, la consommation des États-Unis a été de 770 000 t.

Secteurs d’utilisation de la diatomite

En 2017, aux Etats-Unis. Source : USGS

Filtration 50 % Charge minérale 15 %
Ciment 30 % Absorbant 5 %

Source : USGS

En 2024, aux États-Unis, la filtration représente 65 % des utilisations.

La diatomite, parmi les agents de filtration courants (perlite, cellulose, charbon) des industries alimentaires est considérée comme le meilleur. Elle permet d’éliminer les particules en suspension de taille inférieure à 0,1 µm. Utilisée pour filtrer les jus d’extraction des sucreries, la bière, le vin, l’eau, les huiles… Dans les exploitations viticoles, la diatomite a remplacé les filtres en amiante. Elle permet l’élimination des bactéries et virus de l’eau de consommation.

L’utilisation dans le ciment Portland ne nécessite pas de calcination préalable, ce qui réduit les coûts de production, l’énergie comptant pour 25 à 30 % du prix de revient de la diatomite.

La diatomite est également utilisées comme charge minérale (par exemple dans des peintures), isolant thermique, abrasif doux (polish pour carrosseries, savons, dentifrices), support en chromatographie, support de catalyseur, dans le fractionnement du plasma sanguin humain…

La diatomite a permis à Nobel, en 1868, de stabiliser la nitroglycérine et de fabriquer ainsi la « dynamite ».

Sables

Ce sont des alluvions utilisés comme charge pour l’élaboration des bétons et du macadam. Ils sont utilisés également comme lits de filtration des eaux et effluents.

Aux États-Unis, en 2021, la production a été de 1 milliard de t destinées à 46 % à la production de bétons, 21 % aux travaux routiers, 13 % aux remblayages, 12 % à la production de bitume.

Situation française : pour les sables et graviers d’alluvions.

Production, en 2019 : 562 entreprises ont produit 127 millions de tonnes.

Exportations de sable naturel, en 2023 : 1,600 million de t, vers l’Allemagne à 64 %, la Suisse à 19 %, la Belgique à 7 %.

Importations de sable naturel, en 2023 : 1,227 million de t, de Belgique à 6 7%, des Pays Bas à 18 %, d’Allemagne à 9 %.

Silices pour l’industrie

Les alluvions utilisés sont plus purs que les sables utilisés comme charge des bétons. Les domaines d’utilisation dépendront de la nature et de la teneur des impuretés. Par exemple, la coloration d’un verre dépend de la teneur du sable utilisé comme matière première, en oxydes métalliques et surtout en Fe2O3. Par exemple, une silice pour verre optique doit avoir la composition suivante : SiO2 = 99,8 %, Al2O3 = 0,1 %, Fe2O3 < 0,02 %. Une granulométrie homogène est également un critère important.

On distingue :

  • les sables siliceux de haute pureté,
  • les galets de quartz,
  • les galets de silex,
  • les grès et quarzites en roches massives,
  • le quartz ultra-pur en filon.

Production de silices pour l’industrie

En 2024, en millions de t, sur un total mondial de 440 millions de t. Source : USGS


en milliers de t
États-Unis 130 000 Inde 12 000
Chine 89 000 France 12 000
Pays Bas 60 000 Allemagne 11 000
Italie 33 000 Bulgarie 8 200
Turquie 13 000 Russie 7 300
Source : USGS

La production de l’Union européenne, en 2017, est de 111 millions de t.

En 2024, les États-Unis sont le premier pays exportateur avec 8,3 millions de tonnes. Les exportations sont principalement, à 85 %, destinées au Canada.

Producteurs : le n°1 mondial est le groupe belge Sibelco, avec 118 sites de production, tous produits de carrières confondus, dans 31 pays.

Principales sociétés en Amérique du Nord :

  • Covia, détenue à 65 % par le groupe Sibelco, qui est issue de la fusion, en juin 2018, de Unimin Corp. avec Fairmount Santrol, possède des carrières aux États-Unis, Canada et Mexique, avec une production, en 2019, de 27,7 millions de t/an de minéraux, dans 36 exploitations minières avec des réserves prouvées et probables de 880 millions de t.
  • U.S. Silica Co., exploite, aux États-Unis, 16 carrières avec des réserves prouvées et probables de 442 millions de t. En 2020, les ventes ont été de 9,9 millions de t.
  • Preferred Sands, avec des capacités de production de 6 millions de t/an aux États-Unis avec des carrières à Genoa, dans le Nebraska et dans l’ouest du Texas.

Recyclage : la silice utilisée en fonderie est en grande partie recyclée, ainsi que celle contenue dans le verre lors de son recyclage.

Situation française : en 2017, production de 8,8 millions de t.


Source : MI-france

En 2013, il y a 68 carrières en activité.

Les principaux gisements français sont constitués de sables siliceux de haute pureté et présents pour 75 % de la production française dans le Bassin parisien.

  • Le gisement de Beauchamp est situé dans l’Oise et le sud de l’Aisne. Il s’est formé au Bartonien, il y a 40 millions d’années. Les réserves sont de 100 millions de t sur une épaisseur comprise entre 15 et 40 m. Il est exploité par Samin à Baron (60), Villeneuve-sur-Verberie (60) et Bois-de-Billy (02), Fulchiron à Saint-Rémy Blanzy (02) et Sibelco à Montgru Saint-Hilaire (02) et Crépy-en-Valois (60).
  • Le gisement de Fontainebleau s’est formé à l’oligocène, il y a 34 millions d’années. Il s’étend sur 350 km2 avec des réserves de 80 millions de t sur 20 à 55 m d’épaisseur. Sa teneur en Fe2O3 est inférieure à 150 ppm. Il est exploité par Samin à La Chapelle-la-Reine (77) et Buthiers (77), Fulchiron à Maisse (91) et Milly-la-Forêt (91), Sibelco à Bourron-Marlotte (77) et Hanches (28).
  • 15 % de la production de sables siliceux provient du Bassin aquitain. Les gisements se sont formés au Miocène. Ils sont exploités par Samin à Marcheprime (33) et par Sibelco à Mios (33), Belin-Béliot (33), Barp (33) et Durance (47).
  • D’autres sables sont exploités dans la Drôme, le Vaucluse, les Alpes Maritimes, la plaine d’Alsace.

Des gisements de grès quartzitique et de quartzite sont exploités à Meillers (03) pour la production de silicium et à Vallabrix (30) pour la production de ferrosilicium.

Des gisements de galets de quartz destinés à l’électrométallurgie pour la production de silicium et de ferrosilicium sont exploités par Imerys, en Dordogne à Saint Jean de Côte avec 100 000 t/an et Saint Paul la Roche avec 40 000 t/an ainsi que dans le Lot à Thédirac avec 400 000 t/an destinées à 30 % à l’électrométallurgie.

Des galets de silex sont principalement exploités en baie de Somme, à Cayeux-sur-Mer (80), par GSM, filiale du groupe cimentier Heidelberg, avec 240 000 t/an, Sibelco, avec 30 000 t/an, Silmer avec 60 000 t/an. Les galets sphériques sont réservés à une utilisation dans des broyeurs à boulets pour l’industrie céramique. Une autre partie de la production de galets, constitués de calcédoine, est chauffée à 1600°C pour donner de la cristobalite ou à plus basse température, 900°C, comme charge minérale.

Un gisement de quartz ultra-pur en filon, est exploité par Quartz et Minéraux, à la Chapelle-Agnon (63) avec 25 000 t/an destinées à l’industrie céramique.

Principaux producteurs :

  • Sibelco exploite 11 carrières de silice, à Compiègne (60), Crépy-en-Valois (60), Montgru-Saint-Hilaire (02), Bourron-Marlotte (77), Nemours (77), Hostun (26), Bédoin (84), Entraigues-sur-Sorgues (84), Durance (47), Saint-Césaire (17), Mios (33) ainsi que des galets, à Cayeux-sur-Mer (80).
  • Samin, filiale de Saint Gobain, exploite des carrières de silice à Moru (Pont-Sainte-Maxence, 60), Rozet Saint Albin (02), Roncevaux (Buthiers, 77) et Marcheprime (33).
  • Quartz d’Alsace, à Bischwiller (67).
  • Imerys exploite des carrières de quartz destiné à l’industrie céramique et à celle des ferroalliages, à Saint Jean de Côte (24) et Thédirac (46).
  • Sablière Palvadeau, à Saint Christophe du Ligneron (85).
  • Silmer, exploite des galets de silex donnant après chauffage à 1600°C de la cristobalite, à Cayeux-sur-Mer (80), avec 20 000 t/an.
  • L’Entreprise Charier, exploite diverses carrières et extrait du sable de mer au large de l’île de Noirmoutier et de Saint Marc.
  • La société Fulchiron exploite des carrières à Maisse (91), Milly la Forêt (91), Saint Rémy Blanzy (02), Vallabrix (30) et Le Thieulin (28).

Utilisations :

Consommation, aux États-Unis, en 2024 : 120 millions de t.

Secteurs d’utilisation, aux États-Unis : en 2020.

Fracturation hydraulique et bétonnage des puits d’extraction d’hydrocarbures 58 % Charge minérale 3 %
Industrie verrière 12 % Produits de construction 3 %
Fonderie 4 % Sables de loisirs 3 %

Source : USGS

Fracturation hydraulique : ces dernières années, aux États-Unis, le développement spectaculaire de la production de gaz et pétrole de schiste a entraîné une forte consommation de silice dans ce secteur. Les grains de silice permettent de maintenir la perméabilité de la roche fracturée.

Industrie verrière : le verre contient de 60 à 75 % de silice, voir le chapitre verre. En France, la silice provenant de l’Oise, qui contient seulement de 90 à 170 ppm de Fe2O3, est particulièrement appréciée.

La silice fondue ou verre de silice est utilisée pour ses propriétés réfractaires (appareillages, tubes, ampoules de lampe aux halogènes) ou pour sa transparence aux rayonnements UV, par exemple pour la confection de cuves pour spectromètres UV. Ces cuves, en verre de silice, donc amorphe, sont improprement appelées en « quartz », forme cristallisée de la silice.

Fonderie : pour la fabrication de moules et noyaux. Plus le sable est fin, meilleur sera l’état de surface de la pièce métallique obtenue après coulée. Le sable utilisé doit être exempt de calcaire (provenant par exemple de fossiles) afin d’éviter, à chaud, un dégagement de dioxyde de carbone.

Matière première pour la fabrication du silicate de sodium et de la silice synthétique.

Matière première pour la fabrication du carbure de silicium, des ferrosilicium et du silicium.

Matière première pour la fabrication de céramiques, d’abrasifs, d’émaux…

Charge de peintures, colles, mortiers, plastiques, caoutchoucs, cosmétiques…

Amendements agricoles.

Décapage des métaux, des pierres…

Toxicité de la silice cristallisée

Cette toxicité ne concerne que la silice cristallisée sous forme de quartz, cristobalite ou trydimite. Toutefois, la diatomite, dans laquelle la silice est sous forme amorphe, peut, après calcination, renfermer des quantités importantes de cristobalite.

La voie de pénétration est la voie respiratoire, les particules les plus fines (< 4,5 μm) pouvant atteindre les alvéoles pulmonaires et s’y déposer en induisant une irritation des voies respiratoires et une fibrose pulmonaire irréversible appelée silicose. La forme actuelle la plus courante est la silicose chronique se traduisant par une dyspnée d’effort, toux, expectation, diminution de la fonction pulmonaire. Elle intervient généralement après plus de 20 ans d’exposition et son évolution se poursuit même après la cessation de l’exposition. Les sujets atteints souffrent d’une altération majeure des fonctions pulmonaires et d’une obstruction sévère des voies aériennes pouvant conduire au décès.

Par ailleurs, en France, les silices cristallisées sont classées cancérogènes pour l’homme, elles donnent des cancers bronco-pulmonaires. L’association de l’exposition à la silice avec plusieurs pathologies est également confirmée et en particulier pour la tuberculose, les atteintes respiratoires obstructives et certaines pathologies auto-immunes (sclérodermie, polyarthrite rhumatoïde).

Les valeurs limites d’exposition professionnelles sur 8 heures/jour sont de 0,1 mg.m-3 pour le quartz et de 0,05 mg.m-3 pour les autres formes cristallines. L’ANSES recommande de diminuer ces valeurs.

En France, en 2017, 365 000 personnes sont exposées à la silice cristallines dont de 23 000 à 30 000 à des teneurs supérieures à 0,1 mg.m-3, le secteur le plus exposé étant la construction.

Bibliographie

Archives

Silices naturelles 2023

Silices naturelles 2022

Silices naturelles 2019

Silices naturelles 2015

Silices naturelles 2014

Silices naturelles 2011

Silices naturelles 1996

Silices naturelles 1992