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2014 - 2015
Métallurgie de l'aluminiumMétallurgie de l'aluminium99
Métallurgie de l'aluminium
Métallurgie de l'aluminium
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Sommaire
Introduction 2
1. Généralités sur la métallurgie 2
1.1. Définition 2
1.2. Différents secteurs de la métallurgie 2
1.2.1. La métallurgie primaire 2
1.2.2. La métallurgie secondaire 2
2. Elaboration de l'aluminium 3
2.1. Présentation de l'aluminium 3
2.2. Processus d'obtention de l'aluminium 3
2.2.1. L'extraction de l'alumine 4
2.2.2. La production de l'aluminium 5
2.2.3. Transformation de l'aluminium 6
3. Quelques propriétés de l'aluminium 8
Conclusion 10
Webographie 10
Introduction
L'industrie sidérurgique pour l'acier et métallurgique pour les autres métaux s'occupent de la fabrication de tôles, de plaques, de barres, de fils, de profilés divers, de tubes, de pièces de forge ou de fonderie. Cette fabrication comporte une succession d'opérations de transformation, d'extraction ou de séparation des constituants de minerais ou de produits intermédiaire et a besoin nécessairement des notions de métallurgie afin de connaître les propriétés des métaux, leurs élaborations ainsi que de leurs traitements.
Dans cet exposé, nous allons présenter la généralité sur la métallurgie, les processus d'élaboration de l'aluminium et quelques propriétés de l'aluminium.
Généralités sur la métallurgie
Définition
La métallurgie est l'ensemble des techniques et des opérations nécessaires à l'extraction, l'affinage et au travail des métaux. Elle se décompose en :
Extraction du minerai et première transformation (minéralurgie) ;
Recyclage des métaux ;
Fonderie (hauts-fourneaux et affinage) ;
Fabrication de produit brut par les laminoirs ;
Transformation des produits bruts en produits semi-finis ;
Fabrication de matériel et de produits finis pour l'industrie, le bâtiment et le transport.
Différents secteurs de la métallurgie
L'industrie de la métallurgie se compose de deux grands secteurs à savoir : la métallurgie primaire et la métallurgie secondaire.
La métallurgie primaire
La métallurgie « primaire » ou « extractive » ou « de première transformation » (winning) part du minerai pour aboutir au métal en général liquide, quelquefois sous forme d'éponge (solide poreux) ou de poudre, qui constitueront la base des aciers et alliages. Cette étape comporte des opérations d'extraction ou de séparation des constituants du minerai plus ou moins importantes et nombreuses selon que l'on part de minerais riches (Fe ; Al ; Ti) ou pauvres (Cu ; Zn ; Ni).
La métallurgie secondaire
La métallurgie « secondaire » (refining) consiste en un « traitement du métal
liquide » obtenu soit directement dans la première étape, soit par refusions de métaux recyclés avant coulée. Elle comporte plusieurs opérations successives ou combinées : l'affinage (purification), c'est-à-dire l'élimination des éléments nocifs restant dans le métal liquide, la mise à la nuance (addition des éléments constitutifs de l'alliage), la coulée, et la solidification (soit sous forme de lingots, soit directement sous forme de produits solides plats ou longs par coulée continue, soit sous forme de pièces de fonderie, soit même sous forme de poudre).
La métallurgie primaire et la métallurgie secondaire mettent en œuvre des opérations de transformation, par réaction chimique, des constituants du minerai ou de solutions liquides ou de phases gazeuses intermédiaires, en des composés plus ou moins facilement séparables les uns des autres, soit par des opérations d'extraction, soit par des opérations de séparation.
On classe ces opérations en trois branches :
La pyrométallurgie : opérations effectuées à haute température ;
L'hydrométallurgie : opérations effectuées en milieu aqueux et à des températures relativement basses ;
L'électrométallurgie : opérations mettant en œuvre des électrolyses soit en milieu aqueux, donc à basse température, soit en sels fondus, donc à haute température.
Elaboration de l'aluminium
Présentation de l'aluminium
L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C'est un métal pauvre, malléable, de couleur argent, qui est remarquable pour sa résistance à l'oxydation et sa faible densité. C'est le métal le plus abondant de l'écorce terrestre et le troisième élément le plus abondant après l'oxygène et le silicium ; il représente en moyenne 8 % de la masse des matériaux de la surface solide de notre planète. L'aluminium est trop réactif pour exister à l'état natif dans le milieu naturel : on le trouve au contraire sous forme combinée dans plus de 270 minéraux différents, son minerai principal étant la bauxite, où il est présent sous forme d'oxyde hydraté dont on extrait l'alumine. Il peut aussi être extrait de la néphéline, de la leucite, de la sillimanite, de l'andalousite et de la muscovite.
L'aluminium métallique est très oxydable, mais est immédiatement passivé par une fine couche d'alumine Al2O3 imperméable de quelques micromètres d'épaisseur qui protège la masse métallique de la corrosion. On parle de protection cinétique, par opposition à une protection thermodynamique, car l'aluminium reste en tout état de cause très sensible à l'oxydation. Cette résistance à la corrosion et sa remarquable légèreté en ont fait un matériau très utilisé industriellement.
L'aluminium est un produit industriel important, sous forme pure ou alliée, notamment dans l'aéronautique, les transports et la construction. Sa nature réactive en fait également un catalyseur et un additif dans l'industrie chimique ; il est ainsi utilisé pour accroître la puissance explosive du nitrate d'ammonium.
Processus d'obtention de l'aluminium
Le processus de fabrication de l'aluminium de première fusion se déroule en deux grandes phases. Chacune comporte plusieurs étapes.
L'extraction de l'alumine
Figure 1 : Photo de la bauxite
La bauxite est constituée d'environ 75 % d'alumine hydratée (Al2O3 3H2O et Al2O3 H2O). Elle est d'abord pulvérisée dans d'immenses broyeurs, puis mélangée dans des autoclaves à une solution de soude caustique. À haute température et sous pression, la soude caustique dissout l'alumine hydratée et produit une solution d'aluminate de sodium. Les impuretés demeurent à l'état solide; elles sont séparées de la solution d'aluminate par lavage et filtration sous pression.
Les résidus, appelés boues rouges, sont inertes; ils contiennent surtout des oxydes de fer, de silicium et de titane, et sont retirés par décantation et filtration. On lave les boues rouges pour en récupérer les produits chimiques et on les met au rebut, par couches successives, sur un terrain préparé à cette fin.
La solution d'aluminate de sodium obtenue est ensuite pompée dans des décomposeurs de 25 à 30 m de haut dans lesquels on ajoute du trihydrate d'alumine pur très fin, qui sert à amorcer la réaction. Sous l'effet de l'agitation et du refroidissement graduels, le trihydrate d'alumine en solution précipite et forme d'autres cristaux. Ceux-ci sont ensuite séparés de la solution de soude caustique par sédimentation et filtration. La solution de soude caustique est renvoyée aux autoclaves pour être réutilisée.
Les cristaux sont calcinés à environ 1000oC dans de longs fours, où la chaleur chasse l'eau qu'ils contiennent. Il reste alors de l'oxyde d'aluminium (Al2O3), une fine poudre blanche ressemblant à du sel fin, qu'on appelle alumine calcinée. Il s'agit d'un composé très dur; seul le diamant et quelques produits de synthèse ont une dureté supérieure. L'alumine calcinée sera transformée ultérieurement en aluminium métallique.
Figure 2 : Photo de l'alumine
Il faut entre quatre et cinq tonnes de bauxite pour obtenir environ deux tonnes d'alumine qui, à leur tour, donneront une tonne d'aluminium.
La production de l'aluminium
L'aluminium est tiré de l'alumine par un procédé électrolytique (procédé Hall-Héroult, du nom de ses inventeurs) qui s'effectue dans des cuves traversées par un courant continu à haute intensité. Les cuves, des caissons d'acier rectangulaires, sont revêtues de briques réfractaires et de blocs de carbone qui forment la cathode.
Une aluminerie se divise en trois grands secteurs : le carbone, l'électrolyse et la fonderie.
Secteur carbone
Figure 3 : Processus de fabrication des anodes
Dans ce secteur, on fabrique les anodes qui seront suspendues dans des cuves électrolytiques et qui permettront le passage d'un courant électrique.
Les anodes sont fabriquées à partir de coke de pétrole et de brai liquide. La coke est broyée suivant une granulométrie très précise et mélangée au brai liquide pour former une pâte qui est ensuite cuite pendant plusieurs jours à environ 1 100°C dans des fours chauffés au gaz naturel ou au mazout. Des systèmes très perfectionnés permettent de traiter les fumées provenant de la cuisson des anodes.
Une fois cuites, les anodes sont scellées par de la fonte en fusion à une tige au moyen de laquelle elles seront suspendues dans les cuves électrolytiques.
Secteur électrolyse
Figure 4 : Réduction électrolytique
L'aluminium est tiré de l'alumine par réduction électrolytique, c'est-à-dire par la séparation des atomes d'oxygène et d'aluminium. La réduction de l'alumine calcinée en aluminium s'effectue dans des cuves électrolytiques que traverse un courant continu. Les caissons d'acier rectangulaires sont revêtus de briques réfractaires et de blocs de carbone qui forment la cathode.
Les anodes sont suspendues dans une cuve qui renferme un électrolyte en fusion, que l'on appelle bain, dans lequel l'alumine est dissoute. L'électrolyte est constitué de cryolithe (Na3AlF6), qui est un sel fondu, et de certains additifs qui lui donnent la densité, la conductibilité et la viscosité appropriées. Le principal additif est le fluorure d'aluminium (AlF3), que l'on doit remplacer de temps à autre parce qu'il s'évapore et réagit avec la soude caustique pour redonner de la cryolithe. Les fluorures émis sont captés et traités.
Dans le bain électrolytique, le courant électrique passe de l'anode à la cuve et réduit les molécules d'alumine en aluminium et en oxygène à une température d'environ 950 °C. C'est ce que l'on appelle l'électrolyse. L'oxygène réagit au carbone de l'anode pour former des gaz carbonés (CO et CO2). L'aluminium, plus lourd que le bain, se dépose au fond de la cuve. Ce procédé exige de grandes quantités d'énergie, soit entre 13 et 17 kilowattheures par kilo d'aluminium.
À intervalles réguliers, l'aluminium en fusion est siphonné dans des poches de coulée ou creusets et transféré dans des fours d'attente à la fonderie.
Secteur fonderie
Figure 5 : Mise en forme de l'aluminium
C'est dans d'immenses fours pouvant contenir jusqu'à 90 tonnes d'aluminium liquide que le métal est fabriqué, puis allié à d'autres métaux.
Transformation de l'aluminium
Le laminage
Le laminage permet d'obtenir des tôles ou bandes d'aluminium pour la fabrication de tous produits légers de grandes surfaces nécessitant des propriétés mécaniques performantes.
Issue de la première ou de la deuxième fusion, une plaque d'aluminium qui fait l'objet d'un premier laminage à chaud, puis d'un laminage à froid, présente une épaisseur pouvant atteindre 6 microns (papier d'aluminium).
Le procédé de laminage à chaud consiste à préchauffer la plaque d'aluminium pour l'amollir et/ou l'homogénéiser. Celle-ci est ensuite soumise à un va-et-vient répété entre des cylindres compresseurs qui se resserrent à chaque passe. L'aluminium est ainsi aminci et allongé, sans que sa largeur soit modifiée.
Le procédé de laminage à chaud améliore les qualités métallurgiques du métal sans provoquer d'écrouissage appréciable. Le laminage à froid subséquent réduit encore la dimension du métal et lui confère la résistance mécanique provenant de l'écrouissage.
La plaque laminée à chaud a une épaisseur supérieure à 6,30 mm, tandis que celle qui est laminée à chaud et à froid peut avoir une épaisseur variant de 6,30 à 0,15 mm. La tôle d'aluminium laminée à froid peut être aussi mince que 6 microns, et un lingot laminé à froid peut donner une bande de 450 km de long. Cette tôle d'aluminium sert principalement à la fabrication de canettes.
L'extrusion
L'extrusion consiste à presser une billette préalablement chauffée à travers une filière d'acier. Le métal est façonné sur toute sa longueur selon le profil de la filière, un peu comme le glaçage décoratif qui sort de la douille du pâtissier. Pour obtenir des tuyaux extrudés et des profilés creux, on place un mandrin dans l'ouverture de la filière; forcé entre le mandrin et la filière, l'aluminium prend la forme du mandrin à l'intérieur et la forme de la filière à l'extérieur.
Les profilés qui en résultent servent à la fabrication de portes, de cadres de fenêtres, de revêtements muraux, de lampadaires, de meubles de jardin, ainsi qu'à la construction de voitures, de wagons, de remorques, d'avions et de navires.
Autres techniques
On peut obtenir des formes diverses en coulant l'aluminium en fusion dans des moules. Les techniques utilisées sont la coulée sous pression, le moulage en coquille et le moulage en sable.
Le forgeage permet de former une pièce dans une matrice à partir d'un pion métallique chaud. Durant cette opération, une ébauche adopte sous pression la forme d'une matrice.
L'étirage permet de fabriquer le fil d'aluminium ainsi que des tubes et des barres. Ce procédé de laminage à froid consiste à former et à réduire une ébauche en la faisant passer dans une filière de plus en plus petite, jusqu'à l'obtention du diamètre souhaité.
Le filage par choc est une combinaison des procédés de filage et de forgeage. On introduit dans une matrice un pion métallique qui est soumis à la forte pression d'un poinçon. Le métal prend ainsi l'espace vertical ou oblique ménagé entre le poinçon et la matrice, sauf une partie qui reste au fond et qui constitue le culot de la pièce filée.
L'aluminium peut être anodisé, surtout lorsqu'il est destiné à l'architecture. L'anodisation est un procédé électrochimique qui remplace la couche d'oxyde qui recouvre naturellement l'aluminium par une couche d'oxyde dont l'épaisseur et l'orientation sont déterminées. Cet oxyde peut être teinté. L'anodisation améliore la résistance à la corrosion.
Figure 6 : Etapes d'élaboration de l'aluminium.
Quelques propriétés de l'aluminium
La légèreté
L'aluminium est environ le tiers du poids de l'acier. La légèreté de l'aluminium le rend particulièrement adapté à tout moyen de transport : routier (allègement de 30 à 50 %), ferroviaire, maritime et aérien (la plupart des avions sont faits d'alliages d'aluminium). Cette propriété en fait également un métal de choix pour le transport de l'électricité; à résistance égale, un fil en alliage d'aluminium est deux fois plus léger qu'un fil en cuivre.
Résistance
À l'état pur, l'aluminium est mou et souple. On peut augmenter sa résistance mécanique, physique, chimique ou autre par des alliages ou par traitement à froid.
Diversité des alliages
L'aluminium peut être allié à plusieurs autres métaux, notamment le cuivre, le
magnésium, le manganèse, le silicium, le lithium, le zinc, ce qui améliore encore certaines de ses propriétés.
Résistance à la corrosion
Une couche compacte d'oxyde se forme naturellement à la surface de l'aluminium et le protège de la corrosion atmosphérique. Cette propriété se traduit par la longévité des produits en aluminium.
Conductivité électrique
L'aluminium est un excellent conducteur d'électricité. Sous forme de barres ou de tubes, l'aluminium pur et certains alliages sont très utilisés comme conducteurs dans de nombreuses applications électriques, dont les lignes de transport d'électricité et les câbles industriels.
Conductivité thermique
La conductivité thermique de l'aluminium est remarquable et favorise son utilisation dans la fabrication, par exemple, d'ustensiles de cuisine, de capteurs solaires, d'éléments frigorifiques, de disques et de freins.
Réflexibilité
L'aluminium est un excellent réflecteur de chaleur, de lumière et d'ondes électromagnétiques.
Absence de propriétés magnétiques
En plus d'être ininflammable et anti-étincelant, l'aluminium est antimagnétique, une caractéristique très recherchée dans certaines applications électriques et électroniques, notamment les navires ou plateformes de forage marine dotés d'équipement sensible aux perturbations magnétiques.
Ductilité
L'aluminium est facile à façonner, une qualité appréciée au moment du filage des profilés en aluminium et du laminage de bandes et de feuilles, ou du cintrage ou encore d'autres transformations plastiques à chaud ou à froid.
Capacité de recyclage
On peut recycler l'aluminium indéfiniment sans perdre aucune de ses propriétés. Il suffit, lors du processus dit de deuxième fusion, de refondre les résidus de fabrication et les produits d'aluminium en fin de vie, par exemple les canettes, pour fabriquer d'autres produits d'aluminium.
Conclusion
L'aluminium à un domaine d'utilisation très vaste dans l'industrie. Son utilisation dans l'industrie nécessite la connaissance de ses propriétés, du choix de procédé de soudage et du métal d'apport approprié. Ce qui nous amène à avoir des notions de métallurgie afin d'être en mesure de faire un choix judicieux.
Webographie
[1] http://www.dunod.com/document/9782100597543/Feuilletage.pdf téléchargé
le 20/11/2014
[2] fr.wikipedia.org/wiki/Aluminium consulté le 01/12/2014
[3] http://www.ledialoguesurlaluminium.com/laluminium/un-m%C3%A9tal-unique
Consulté le 20/11/2014
[4] http://www.ledialoguesurlaluminium.com/laluminium/sa-fabrication/laluminium-
de-première-fusion consulté 20/11/2014
[5] "aluminium." Microsoft® Encarta® 2009 [DVD]. Microsoft Corporation, 2008.