[PDF] ECOLE DES MINES DE DOUAI 16 juin 2011 Le procé

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ECOLE DES MINES DE DOUAI

MOUSSAOUI Mustapha

MORTREUX Christophe

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

L'ALUMINIUM, SA FABRICATION, SES EVOLUTIONS

ET SON UTILISATION

THE ALUMINUM, ITS MANUFACTURE, ITS EVOLUTIONS

AND ITS USES

Promotion 2016 Année scolaire 2014-2015

2

REMERCIEMENTS

Nous tenions tout d'abord à remercier notre marraine, Sabine Crunaire, enseignante- chercheuse au département chimie-environnement de l'école des mines de Douai, pour avoir

accepté d'être notre marraine et de ce fait de pouvoir nous accorder le temps nécessaire à la

rédaction de cette étude. Nous voulions également remercier les personnels du centre de documentation de l'école

pour leur accueil, leurs conseils et leur bonne humeur. Ils ont été d'une aide précieuse dans

la recherche documentaire et la rédaction de cette étude. 3

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS ................................................................................................................................. 2

TABLE DES MATIERES ......................................................................................................................... 3

RESUME ................................................................................................................................................. 5

MOTS MATIERE ..................................................................................................................................... 5

ABSTRACT.............................................................................................................................................. 6

KEYWORDS ............................................................................................................................................ 6

INTRODUCTION ..................................................................................................................................... 7

I. FABRICATION DE L'ALUMINIUM .................................................................................................. 9

1. DECOUVERTE DE L'ALUMINIUM.............................................................................................. 9

a. Présentation ............................................................................................................................. 9

b. Les origines, du laboratoire à l'industrie (1806-1885) ........................................................... 11

2. PROCEDE DE FABRICATION .................................................................................................. 12

a. L'invention de Paul Héroult et le procédé " Hall-Héroult » (1886). ....................................... 12

b. Les balbutiements de la fabrication (1888-1908) .................................................................. 14

c. Les première usines et l'industrialisation (1908-1930) .......................................................... 15

3. EVOLUTION DU PROCEDE A TRAVERS LE TEMPS ............................................................ 17

b. Evolution sur les hautes intensités (1965-2014) ................................................................... 19

4. REJETS POLLUANTS ET RISQUES SANITAIRES ................................................................. 21

a. Risques sanitaires ................................................................................................................. 21

b. Eléments polluants ................................................................................................................ 22

5. NOUVEAUX PROCEDES. UTOPIE OU REALITE FUTURE ? ................................................ 22

a. Les pistes de développement ................................................................................................ 22

b. L'anode inerte ........................................................................................................................ 23

c. La cathode drainée ................................................................................................................ 24

d. Bilan des recherches en cours .............................................................................................. 24

II. UTILISATION DE L'ALUMINIUM .................................................................................................. 25

1. APPROCHE ECONOMIQUE .................................................................................................... 25

2. L'ALUMINIUM SORTI D'USINE C'EST CA : ............................................................................. 28

3. AVANTAGES DE L'USAGE DE L'ALUMINIUM ........................................................................ 31

4. EVOLUTION DE LA CONSOMMATION ................................................................................... 34

5. DOMAINES D'UTILISATION ..................................................................................................... 35

a. Transports .............................................................................................................................. 35

b. Electricité ............................................................................................................................... 36

c. L'emballage ........................................................................................................................... 36

d. Construction ........................................................................................................................... 36

6. RECYCLAGE DE L'ALUMINIUM .............................................................................................. 39

CONCLUSION ....................................................................................................................................... 41

REFERENCES BILIOGRAPHIQUES .................................................................................................... 42

4 5

RESUME

L'aluminium est de nos jours utilisé dans de nombreux domaines d'activité. Il est présent dans nos emballages, dans nos voitures, dans nos avions, dans nos bâtiments. La liste des domaines dans lesquels l'aluminium est utilisé est très longue, car c'est un matériau avec

des propriétés très intéressantes. Il est en particulier très malléable, inaltérable, très résistant

à l'oxydation, léger et ductile.

Ca matériau est présent en grande quantité sur notre globe terrestre, avec des quantités dépassant celles du fer. Malgré cette abondance, sa fabrication industrielle n'a vraiment

débuté qu'à la fin du XIXème siècle avec la découverte du procédé " Hall-Héroult » en 1886,

procédé toujours en vigueur de nos jours pour la fabrication de l'aluminium. Depuis le début du XXème siècle, les outils industriels ont constamment évolués en modifiant les technologies de fabrication, en augmentant sans cesse les ampérages dans les usines. Désormais l'industrie tente de se tourner vers de nouvelles technologies, moins

énergivores mais surtout moins polluantes.

Cette étude bibliographique est composée de deux parties. La première vous présente l'histoire de la fabrication de l'aluminium, avec les découvertes associées, les différents procédés de fabrication ainsi que les recherches en cours vers de nouvelles technologies de fabrication. La seconde partie vous montrera comment est utilisé l'aluminium, ses domaines d'application, l'état du marché et sa constante évolution. Nous parlerons également de recyclage ainsi que d'une approche économique.

MOTS MATIERE

ALUMINIUM ELECTROLYSE

POLLUTION RECYCLAGE

PRODUCTION MARCHE

ECONOMIE INDUSTRIE

6

ABSTRACT

Today aluminum is used in several fields of activity. It's present in our packagings, our cars, our planes, our buildings. Domains list in which aluminum is used is very long, because it's a material with very interesting properties. It's very malleable, unalterable, highly resistant to oxidation, light and ductile. That material is abundant on earth and its quantity exceeds that of iron. Despite this abundance, industrial production has really started at the end of the nineteen century with the discovery of the process called "Hall-Heroult" in 1886, a process still used nowadays for aluminum's production. Since the beginning of twentieth century, industrial tools are constantly changing, increasing amperage in plants. Now the industry is trying to turn towards new technologies which would be more energy-efficient and less polluting. This bibliographic review is composed of two parts. The first one introduces the history of aluminum's manufacture, with its discoveries, its various manufacturing processes as well as ongoing researches into new manufacturing technologies. The second part will show you how aluminum is used, its fields of application, the state of the market and its constant evolution. We also talk about recycling and economic approach.

KEYWORDS

ALUMINUM ELECTROLYSIS

POLLUTION RECYCLING

PRODUCTION MARKET

ECONOMY INDUSTRY

7

INTRODUCTION

L'aluminium est un métal présent dans toutes nos utilisations quotidiennes, si bien qu'il est quasi impensable pour qui ne connait pas l'histoire de son développement de savoir qu'il n'y a qu'un siècle qu'il est produit à l'échelle industrielle.

Ce métal a des caractéristiques incroyables qui allient la résistance à la légèreté, la

résistance à l'oxydation à ses capacités de mise en forme. Ce sont ces caractéristiques qui

ont fait que sa production a explosé depuis la fin du XIXème siècle, de nos jours, les

voitures, les avions et les bâtiments sont allégés en incorporant le plus d'aluminium possible.

L'aluminium est présent dans une multitude de domaines qui vont de l'agro- alimentaire à l'automobile, de l'aéronautique à la construction. La demande mondiale est

croissante depuis le début du XXème siècle et sa fabrication n'a pas cessé d'évoluer depuis

un siècle tout en restant basée sur le même procédé de base. Cette étude est composée de 2 parties distinctes. Dans la première nous tacherons de vous expliquer comment la production d'aluminium a décollé avec la mise en oeuvre du

procédé " Hall-Héroult ». Nous évoquerons, ensuite les premières découvertes, les

différentes mises en oeuvre de fabrication, les évolutions et les recherches pour le futur. Nous parlerons aussi des risques sanitaires liés à la pollution et des impacts environnementaux. Cela nous amènera à évoquer les nouvelles recherches de procédés de fabrication bien moins polluants mais qui rencontrent encore de grandes difficultés de mise en oeuvre. Dans la seconde partie nous nous attèlerons à vous expliquer quels sont les enjeux économiques de la production d'aluminium. Nous parlerons des domaines d'application ainsi

que des différents avantages et inconvénients liés à l'utilisation de l'aluminium. Pour finir,

nous aborderons la problématique du recyclage de l'aluminium. 8 9

I. FABRICATION DE L'ALUMINIUM

1. DECOUVERTE DE L'ALUMINIUM

a. Présentation L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al, de numéro atomique 13. C'est

le métal le plus abondant sur notre planète mais il n'existe pas à l'état natif dans la nature. Il

est présent dans plus de 270 minéraux différents, le minerai principal étant la bauxite. Il

possède 22 isotopes connus, mais seul l'isotope 27

Al est stable (isotope naturel).

Ce métal a des caractéristiques formidables, il se protège de la corrosion automatiquement à son exposition à l'air en se passivant d'une fine couche d'alumine Al 2 O 3

imperméable. De plus sa légèreté, sa ductilité et sa mise en oeuvre facile en font aujourd'hui

un produit industriel important. [13] En 2011, la production mondiale d'aluminium représentait 43,5 millions de tonnes par an. Sachant qu'il faut en moyenne 4 tonnes de bauxite pour produire 2 tonnes d'alumine, ce qui donnera au final une tonne d'aluminium métal et au rythme de consommation actuel, on estime qu'avec les 25 milliards de tonnes de bauxite présentes sur terre, il resterait environ

130 années de production d'aluminium, la bauxite étant une ressource non renouvelable. La

moitié de la production mondiale est destinée à l'industrie. [14]

Figure 1 : Morceau de bauxite [13]

L'alumine est extraite de la bauxite par le procédé Bayer, procédé qui attaque la

bauxite à l'aide d'une solution de soude. Ce procédé a été découvert en 1887, il permet à

l'aide d'une décantation, de séparer les impuretés. On tire de la solution épurée, refroidie et

diluée de l'oxyde d'aluminium qui sera porté à 1200° pour former de l'alumine Al 2 O 3. Ce procédé donne naissance en plus de l'alumine à des substances appelées " boues rouges », mélange toxique à base principalement d'oxyde de fer [5] Les trois-quarts des réserves connues de bauxite sont présents dans 5 pays :

l'Australie, la Chine, le Brésil, l'Inde et la Guinée. Les réserves connues exploitées sont

principalement en Guinée à hauteur de 30% et en Australie à hauteur de 23%. Le procédé de production d'aluminium est un procédé d'électrolyse suivant le brevet

" Hall-Héroult » déposé en 1886. Cette production est très énergivore en électricité et

gourmand en alumine, ce qui fait que la plupart des usines d'aluminium au travers le monde

se trouvent près des ports et des centrales électriques pour d'évidentes questions pratiques.

10 Figure 2 : représentation du procédé de production d'aluminium [14] En solution on retrouve l'aluminium généralement sous forme d'ionsܣ . Ces ions formeront l'alumine Al 2 O 3 en s'oxydant soit lentement à froid soit rapidement à chaud. (L'action des acides sur l'aluminium donne une production d'ionsܣ ). La réaction de l'aluminium avec une solution de soude produit de l'aluminate de sodium et du dihydrogène gazeux, selon l'équation suivante : Cette méthode permet de former de la bayerite, de la boehmite ou de la gibbsite en fonction des conditions de précipitation des différentes phases cristallographiques. On peut également utiliser l'aluminium comme réducteur fort, par exemple dans l'aluminothermie ou la pyrotechnique. [14] L'aluminium est fabriqué par le procédé d'électrolyse de l'alumine dissoute dans un bain de cryolithe fondue oeuvre dans une cuve composée d'anodes et d'une cathode en carbone, la cathode étant le creuset recevant le bain de cryolithe. C'est le fort courant traversant cette cuve qui fait se dissocier la molécule d'alumine en aluminium qui descend naturellement par gravité au fond de la cuve. On peut résumer l'opération d'électrolyse par l'équation suivante : 11

Le rendement de l'électrolyse n'étant pas de 100%, il existe une faible quantité d'aluminium

qui se ré oxyde suivant l'équation suivante : Chaque cuve a un rendement particulier qui est appelé rendement Faraday, il s'exprime en pourcentage de la quantité d'alumine électrolysée. De nos jours les cuves ont des rendements Faraday proches des 96%. Les anodes s'oxydent durant le processus d'électrolyse, il faut donc les remplacer régulièrement. Dans toutes les usines de fabrication d'aluminium il existe des ateliers spécifiques de fabrication des anodes, généralement composées d'un mélange compact de coke et de brai chauffées dans des fours spéciaux. Les blocs de carbone ainsi obtenus seront liés à une tige métallique grâce à une liaison à base de fonte. [2]

L'aluminium est un métal mou, sans ajout de

petites quantités de cuivre, de magnésium, de manganèse ou de silicium son utilisation serait très limitée. Ce sont ces adjonctions qui donnent par exemple une bonne résistance. Il est très bon conducteur, amagnétique, et en anodisant l'aluminium on augmente artificiellement la couche d'oxydation. L'anodisation est une opération où l'on trempe l'aluminium dans un bain contenant de l'acidequotesdbs_dbs26.pdfusesText_32

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