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UAC/ EPAC/ GME/P—5 AKOGAN INES 2014 - 2015 1 Métallurgie de l’aluminium Sommair

UAC/ EPAC/ GME/P—5 AKOGAN INES 2014 - 2015 1 Métallurgie de l’aluminium 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 ..................................................................................... 3 2.2.2. La production de l’aluminium .............................................................................. 4 2.2.3. Transformation de l’aluminium ........................................................................... 6 3. Quelques propriétés de l’aluminium ................................................................................... 8 Conclusion .................................................................................................................................. 9 Webographie .............................................................................................................................. 9 UAC/ EPAC/ GME/P—5 AKOGAN INES 2014 - 2015 2 Métallurgie de l’aluminium 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. 1. Généralités sur la métallurgie 1.1. 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. 1.2. 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. 1.2.1. 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). 1.2.2. 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 UAC/ EPAC/ GME/P—5 AKOGAN INES 2014 - 2015 3 Métallurgie de l’aluminium température. 2. Elaboration de l’aluminium 2.1. 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. 2.2. 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. 2.2.1. 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. UAC/ EPAC/ GME/P—5 AKOGAN INES 2014 - 2015 4 Métallurgie de l’aluminium 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. 2.2.2. 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 UAC/ EPAC/ GME/P—5 AKOGAN INES 2014 - 2015 5 Métallurgie de l’aluminium 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 uploads/Industriel/ metallurgie-de-laluminium.pdf