DIALOGUE SUR L'ALUMINIUM

L'aluminium de première fusion

Une aluminerie moderne est un vaste complexe industriel où chaque secteur est tributaire des autres secteurs – de l'arrivée des matières premières par bateau, par train ou par camion, jusqu'à l'expédition des lingots d’aluminium. Il est donc impératif qu'au départ, les services d'approvisionnement s'assurent que les matières premières, les biens et les services nécessaires à la fabrication de l'aluminium soient livrés et entreposés à temps et en quantités suffisantes. L'ensemble des opérations requiert donc une coordination parfaite entre tous les intervenants.

Le processus de fabrication de l’aluminium de première fusion se déroule en deux grandes phases. Chacune comporte plusieurs étapes.

1. L'extraction de l'alumine

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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 1 000 oC 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.

Alumine Rta

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. La production de l'aluminium

Usine Alma Salle De Cuves2009

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.

Le secteur carbone

Dans le secteur carbone de l’usine, on fabrique les anodes qui seront suspendues dans des cuves électrolytiques et qui permettront le passage d’un courant électrique.

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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.

Les anodes se consument et doivent donc être remplacées environ tous les 20 jours; le secteur carbone est aussi chargé de la récupération des anodes usées (appelées mégots d’anode), de leur recyclage et du nettoyage des tiges qui seront réutilisées.

Le secteur électrolyse

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.

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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.

Usine Alma Siphonnage Cuve2009
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.

Chaque cuve électrolytique est totalement fermée pour une plus grande efficacité énergétique et pour capter les émissions polluantes; des centres de traitement des gaz assurent une protection très efficace de l'environnement.

L'électricité, essentielle à la production d'aluminium

Le procédé d'électrolyse utilisé pour produire l'aluminium requiert de grandes quantités d'électricité. Cette ressource abondante au Québec et en Colombie-Britannique a favorisé le développement de l'industrie de l’aluminium au Canada au cours du dernier siècle.

Un peu plus du tiers (35 %) des coûts de production d’une tonne métrique d’aluminium de première fusion est consacré à l'énergie. Pour produire un kilo d'aluminium, il faut compter en moyenne 15 kilowattheures (kWh).

Comme chaque gain énergétique a un effet direct important sur leurs coûts d’exploitation, les alumineries ont mis en place des programmes d'efficacité énergétique, qui leur permettent d’optimiser l'utilisation de chaque kilowattheure.

Aussi, des programmes de recherche et des développements technologiques ont permis de retirer plus d'alumine d'une tonne de bauxite et, au cours des ans, d'améliorer de 50 % l'efficacité énergétique des cuves électrolytiques.

Par ailleurs, d’ici 2015, les usines utilisant la technologie Söderberg, qui demande plus de 17 000 kWh par tonne métrique d’aluminium produite, seront fermées, remplacées ou modernisées. À ce moment-là, toutes les alumineries établies au Québec utiliseront la technologie à anodes précuites, qui s’avère beaucoup plus efficace sur les plans énergétique et environnemental. Cette technologie permet de réduire de plus de 25 % la quantité d’électricité nécessaire à la production d’une tonne métrique d’aluminium.

De plus, Rio Tinto Alcan, Alcoa et Aluminerie Alouette inc. participent activement au Programme d’économie d’énergie dans l’industrie canadienne du ministère des Ressources naturelles du Canada. Ces alumineries collaborent également avec l’Agence de l’efficacité énergétique du Québec et avec l’Office de l’efficacité énergétique du Canada. En janvier 2005, un protocole de collaboration en matière d’efficacité énergétique a été signé avec Hydro-Québec.

Au cours des 35 dernières années, la quantité d'énergie nécessaire à la production d'aluminium de première fusion a été réduite de 30 %. Selon le Canadian Industry Energy End-Use Data and Analysis Center, de la Simon Fraser University, en Colombie-Britannique, la quantité d’énergie requise pour produire une tonne métrique d’aluminium au Canada a diminué de 6 % entre 1990 et 2000. Et de tous les secteurs industriels, c’est celui de l'aluminium qui a le meilleur facteur d'utilisation du kilowattheure.

Au Saguenay–Lac-Saint-Jean, Rio Tinto Alcan produit elle-même l’électricité dont elle a besoin à partir de ses six centrales hydroélectriques : L’Isle-Maligne, Chute-à-Caron, Shipshaw, Chute-du-Diable, Chute-à-la-Savane et Chute-des-Passes. Situées sur les rivières Péribonka et Saguenay, ces centrales fournissent en moyenne 2 000 MW par année, soit l’équivalent de l’énergie requise pour alimenter un million de résidences annuellement. Pour sa part, Alcoa exploite, avec la papetière Abitibi-Consolidated, la centrale hydroélectrique de McCormick, d’une puissance installée de 350 MW.

Vu l’importance du coût de l’électricité, la croissance de l’industrie de l’aluminium de première fusion dépend, dans une large mesure, de la possibilité pour les alumineries d’accéder à un approvisionnement énergétique à long terme à un coût favorisant le maintien de leur compétitivité. (Consulter aussi la brochure sur l’énergie dans notre section Publications).

Le secteur fonderie

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.

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La transformation

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.

L'Édito du président

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