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Fabrication des feuilles et bandes d'aluminium

La fabrication des feuilles et tôles d'aluminium inclut au minimum les étapes d'élaboration du métal liquide, de coulée, de laminage, de parachèvement et de contrôle qualité. Les tôles d'aluminium, comme de nombreux autres métaux, sont utilisées tous les jours. Les applications les plus prestigieuses sont le fuselage des avions ou les tôles de carrosserie automobile, mais les feuilles d'aluminium se trouvent aussi dans des applications plus communes telles que les emballages flexibles pour l'agroalimentaire.

Élaboration de l'aluminium liquide

Des lingots, des additifs et des dĂ©chets de la production sont chargĂ©s dans un four de fusion de plusieurs dizaines de tonnes de capacitĂ© (par exemple 50 tonnes).

Une partie du mĂ©tal est transfĂ©rĂ©e rĂ©gulièrement du four de fusion vers un four de maintien, dont la capacitĂ© est d'environ 10 Ă  20 tonnes. Il permet de contrĂ´ler plus prĂ©cisĂ©ment la tempĂ©rature du mĂ©tal qui est un paramètre important dans le processus de coulĂ©e.

Un affineur de grain est ajouté soit dans les fours sous forme de tablettes, ou de morceaux soit en continu sous forme d’un fil qui se dissout au fur et à mesure dans les canaux de coulée. L’objectif est — comme son nom l'indique — de rendre les grains qui composent l’aluminium solidifié plus fins, et ainsi d’améliorer les caractéristiques mécaniques (cf. loi de Hall-Petch).

Du chlore ou du fluor est injecté dans le bain de fusion sous forme de gaz ou de granules, afin de diminuer la concentration en alcalins (Na, Ca, Mg, Li) néfastes aux caractéristiques mécaniques de l'aluminium.

Le métal passe par une poche où l'hydrogène de l'aluminium est dégazé par injection d'un autre gaz (azote ou argon) sous forme de bulles.

Le métal traverse ensuite un système de filtration (dalle en céramique poreuse, filtre à lit de gravier), qui agit comme une passoire à thé, pour retenir des particules et laisser passer le liquide.

Jusqu’à ce qu’il soit solide (vers 660 °C), l’aluminium liquide est orange et fluide.

De l’aluminium liquide à la bande

Il existe plusieurs procédés concurrents dont les deux principaux sont la coulée semi-continue verticale (Direct Chill)[1] et la coulée continue entre cylindres (Continuous Casting). La coulée semi-continue verticale permet une gamme d'alliages plus étendue et une production plus importante. La coulée continue entre cylindres, grâce à des étapes en moins, permet des temps/coûts de production et des investissements de départ plus faibles.

Coulée semi-continue verticale

Coulée semi-continue verticale (Direct Chill).

De d’aluminium liquide est versé régulièrement au niveau de la lingotière, un cadre refroidi à l'eau. Au fur et à mesure que l'aluminium se solidifie, la plaque qui se forme est descendue à l’aide du descendeur, jusqu’à ce qu'elle atteigne la longueur souhaitée.

Pour refroidir l'aluminium, de l'eau ruisselle d'abord sur la lingotière, puis continue de ruisseler sur la plaque en elle-même, d'où le terme anglais de Direct Chill.

La plaque est retirĂ©e de la fosse de coulĂ©e pour ĂŞtre stockĂ©e sur un parc. La coulĂ©e est dite semi-continue car la coulĂ©e s'arrĂŞte par exemple tous les 10 mètres.

Dans la sidérurgie, la coulée continue d'acier utilise aussi un cadre refroidi à l'eau. Mais comme l'intervalle de solidification de l'acier est nettement plus important que celui de l'aluminium, la plaque peut être plus longue, prendre un rayon de courbure pour être découpée en continu.

Laminage Ă  chaud

La plaque est au préalable scalpée pour retirer la couche d’aspect irrégulier dû de la coulée puis chauffée entre 400 et 600 °C (d’où le terme de laminage à chaud, hot rolling en anglais). Sinon il faudrait une énergie considérable pour la laminer.

Ensuite, la plaque passe dans un laminoir rĂ©versible pour former une plaque très plate mais très longue (quelques centaines de mètres, une rĂ©duction d'Ă©paisseur s'accompagne d'une augmentation de longueur dans les mĂŞmes proportions), qui passe elle-mĂŞme dans un laminoir Ă  plusieurs cages pour obtenir un bon Ă©tat de surface et une bande capable d’être enroulĂ©e (entre 700 Âµm et mm d’épaisseur).

Coulée continue entre cylindres (Continuous Casting)

Coulée continue entre cylindres (Continuous Casting).

Ce procĂ©dĂ© est aussi connu sous le nom de Twin Roll Casting ou encore ConCast. L'aluminium liquide, proche de la tempĂ©rature de solidification, se rĂ©partit grâce Ă  un rĂ©partiteur sur toute la largeur entre deux cylindres qui tournent en sens opposĂ©. Au contact des cylindres refroidis Ă  l’eau par des galeries internes, l'aluminium liquide se solidifie et forme une bande de mĂ©tal de 3 Ă  9 millimètres d'Ă©paisseur et de 1 Ă  2 mètres de large, qui est enroulĂ©e plus loin sur un mandrin. La vitesse de production est de l’ordre de 1 Ă  3 mètres par minute.

Lorsque la bobine atteint un certain diamètre, la bande est coupée, la bobine est retirée du mandrin, l'autre morceau de bande est engagé dans celui-ci, et une nouvelle bobine est commencée.

Ce processus est continu. Il s’arrête à la suite d'évènements qualité, de pannes ou après la casse de certaines pièces en matériaux réfractaires.

Autres procédés de coulée

  • CoulĂ©e sur tambour (Single Drum Casting) ;
  • CoulĂ©e sur roue (Wheel casting) ;
  • CoulĂ©e entre bandes (Twin Belt Casting) ;
  • CoulĂ©e entre blocs (Block Caster) ;
  • CoulĂ©e continue verticale entre cylindres (Twin Drum Casting), vers le bas ou vers le haut.

Laminage à froid : réduction d'épaisseur

Laminage.

La fonderie livre au dĂ©partement « laminage » une bande de 500 ÎĽm Ă  mm. Le laminage Ă  froid (cold rolling en anglais) a pour but de diminuer cette Ă©paisseur jusqu'Ă  l'Ă©paisseur dĂ©sirĂ©e. Pour cela, la bande est Ă©crasĂ©e ou Ă©tirĂ©e entre deux cylindres plusieurs fois. Chaque passe permet de diviser l’épaisseur par deux. Par conservation de la matière, la longueur de la bobine est multipliĂ©e par deux. Un lubrifiant (une huile proche du kĂ©rosène ou des Ă©mulsions eau/huile toujours avec des additifs pour que le film rĂ©siste aux efforts de laminage) est nĂ©cessaire pour plusieurs raisons.

Premièrement, dans le but d'empêcher que la feuille ne soit en contact direct avec les cylindres pour éviter d'endommager la feuille (griffures…). Deuxièmement, dans le but de minimiser le coefficient de frottement afin de diminuer l'énergie nécessaire au laminage tout en évitant le patinage.

Les gros cylindres (cylindres d'appui) appuient sur les petits (cylindres de travail) et permettent de contrôler certains paramètres de planéité de la feuille et de résister aux efforts de séparation.

Durant les opérations de laminage, le grain s'allonge et le métal durcit, ce qui s'appelle l'écrouissage. Un métal trop dur devient difficilement laminable. Le métal peut être recuit (il est réchauffé entre 300 et 600 °C dans un four) après quelques passes pour l'adoucir (le rendre plus mou), et obtenir de nouveaux grains plus homogènes en taille (re-cristallisés) et moins allongés.

Lors de la dernière passe de laminage, deux feuilles sont laminĂ©es en mĂŞme temps (opĂ©ration de doublage) si l'Ă©paisseur est suffisamment faible (< 80 ÎĽm). Pour cela, une deuxième bobine est disposĂ©e derrière la première et les feuilles de chacune des bobines sont insĂ©rĂ©es en mĂŞme temps entre les cylindres. Il y a au moins deux avantages. Le premier est financier puisque deux feuilles sont laminĂ©es en une seule passe. Le deuxième est mĂ©canique car deux feuilles rĂ©sistent mieux Ă  la rupture qu’une seule. C'est particulièrement utile pour les feuilles de 6 Ă  7 ÎĽm prĂ©sentes dans les briques de jus de fruit et de lait.

Lorsque la feuille a été doublée, elle possède une face mate et une face brillante. La face mate est celle en contact avec une autre feuille d'aluminium. La face brillante correspond à la face en contact avec les cylindres du laminoir. À part cela, toute préférence pour l'une ou l'autre de ces faces n'est a priori que psychologique. L'oxygène, le CO2, la poussière, l'humidité, la chaleur, les microbes et la lumière ne passeront pas mieux à partir d'un côté ou de l'autre. L'aluminium est l'un des meilleurs matériaux contre toutes ces menaces envers les produits emballés. L'association avec un autre matériau produit un emballage résistant et très peu perméable à son environnement.

Parachèvement

L'un des points du cahier des charges concerne les dimensions. L'épaisseur a été donnée par les laminoirs. Le parachèvement a entre autres objectifs celui de mettre les bobines aux bonnes dimensions (largeur et diamètre) à l'aide de lames, cisailles ou autres systèmes de découpe.

Lors du parachèvement, les deux feuilles qui ont éventuellement été laminées ensemble (doublage) sont aussi séparées.

Enfin, les bobines subissent un recuit final dans un four. Le recuit sert à dégraisser les bobines et à obtenir les propriétés mécaniques désirées (par recristallisation ou durcissement secondaire). La feuille doit souvent être dégraissée pour retirer le lubrifiant à sa surface car elle subit souvent une nouvelle transformation : laquage, vernissage, impression, anodisation, coextrusion, contre-collage, colaminage, brossage, dégraissage chimique, texturation, vieillissement…

Contrôle qualité

L'objectif du contrôle qualité est de vérifier la conformité du produit au cahier des charges. Les points ci-dessous sont vérifiés selon le type de produit :

  • Dimensions : largeur, Ă©paisseur, etc.
  • PropriĂ©tĂ©s mĂ©caniques : essai de traction, essai de fatigue, essai de corrosion, etc.
  • État de surface : lignes, tâches, picots, perforations, oxydation, etc.
  • Composition chimique : Si, Mg, Zn, etc.
  • QualitĂ© du bobinage : tĂ©lescopies, dĂ©fauts de tension, voilement, planĂ©itĂ©, etc.
  • DĂ©graissage : mouillabilitĂ©, diamètre de goutte, quantitĂ© de carbone, etc.
  • QualitĂ© des traitements : grammage de prĂ©-lubrification, uniformitĂ©, etc.

Emballage et expédition

Les produits (bobines ou plaques) sont emballés — par exemple mises sur des palettes ou dans des caisses — et sont envoyées aux clients dans le monde entier, par camion, bateau et parfois par avion.

Applications

  • Agroalimentaire : papier aluminium, briques de lait et jus de fruits, barquettes de plats prĂ©parĂ©s, opercules (fromage blanc et yaourts), cols de bouteille (bière et champagne), paquets de biscotte, emballage chocolat et confiseries, emballages flexibles, emballage beurre et fromage ;
  • Pharmacie et cosmĂ©tique : feuilles pour blisters, sachets comprimĂ©s effervescents, emballages flexibles ;
  • Transport : fuselage des avions, radiateurs et carrosserie des voitures, coques des navires rapides, carĂ©nage des trains, isolation thermique ;
  • Bâtiment : gouttières et descentes d'eaux pluviales, Ă©lĂ©ments de zinguerie, dĂ©coration intĂ©rieure et extĂ©rieure, panneaux isolation ;
  • BoĂ®tes boisson ;
  • AĂ©rosols ;
  • Lithographique ;
  • Autres : ailettes Ă©changeurs de chaleur, tuyaux spiralĂ©s, gaines, blindage de câbles, tuyaux chauffage par le sol, scotch aluminium, panneaux de signalisation, poĂŞles, culots d'ampoule.

Quelques fabricants de feuilles et bandes d'aluminium

Novelis, Alcan, Norsk Hydro, Alcoa, Comital, Teich, Carcano, Corus, VAW et Pechiney avant leur rachat.

Notes et références

Voir aussi

Bibliographie

  • Fonderies d'aluminium. Guide pratique de prĂ©vention 2. Analyse et prĂ©vention des risques liĂ©s aux machines de coulĂ©e. CoulĂ©e semi-continue verticale., Format PDF - 801 ko, Note documentaire INRS, RĂ©fĂ©rence ND 1836, 1991, 17 pages.
  • (en) Strip casting technology… a key to product quality. Menet, Basson, Maiwald, Cayol, Bosch, International Melt Quality Workshop, 25-.
  • (en) Continuous casting of aluminium, Kammer, Talat lecture 3210, p. 27.
  • CommuniquĂ© de presse sur l'exposition « L'âge de l'aluminium » prĂ©sentĂ©e du au Ă  la CitĂ© des Sciences et de l'Industrie.

Liens externes

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