Qu'est-ce qu'un lingot d'aluminium ?

Qu'est-ce qu'un lingot d'aluminium ?

L'aluminium est un métal blanc argenté, troisième composant de la croûte terrestre après l'oxygène et le silicium. Sa densité est relativement faible (seulement 34,61 % de fer et 30,33 % de cuivre), ce qui lui vaut d'être appelé métal léger. L'aluminium est un métal non ferreux dont la production et la consommation sont les deuxièmes mondiales après l'acier. Sa légèreté lui permet d'être fréquemment utilisé dans la fabrication de véhicules terrestres, maritimes et aériens tels que les automobiles, les trains, les métros, les navires, les avions, les fusées et les engins spatiaux, afin d'alléger son poids et d'augmenter sa charge. Les matières premières utilisées dans notre industrie sont appelées lingots d'aluminium. Selon la norme nationale (GB/T 1196-2008), ils devraient être appelés « lingots d'aluminium pour refusion », mais on les appelle communément « lingots d'aluminium ». L'aluminium est produit par électrolyse à partir d'alumine cryolithe. Une fois les lingots d'aluminium utilisés dans l'industrie, on les distingue en deux grandes catégories : les alliages d'aluminium coulés et les alliages d'aluminium déformés. L'aluminium moulé et ses alliages sont des pièces moulées en aluminium produites par moulage ; l'aluminium déformé et ses alliages sont des produits en aluminium transformés par usinage sous pression : plaques, bandes, feuilles, tubes, tiges, profilés, fils et pièces forgées. Selon la norme nationale, les lingots d'aluminium refondus sont classés en huit catégories selon leur composition chimique : Al99,90, Al99,85, Al99,70, Al99,60, Al99,50, Al99,00, Al99,7E et Al99,6E (Remarque : le chiffre après Al indique la teneur en aluminium). Certains appellent l'aluminium « A00 », qui est en réalité de l'aluminium d'une pureté de 99,7 %, appelé « aluminium standard » sur le marché londonien. Les normes techniques de notre pays dans les années 1950 provenaient de l'ex-Union soviétique. « A00 » est la marque russe dans les normes nationales de l'Union soviétique. Le « A » est une lettre russe, et non le « A » anglais ou le « A » de l'alphabet phonétique chinois. Si cela est conforme aux normes internationales, il est plus juste de parler d'« aluminium standard ». L'aluminium standard est un lingot d'aluminium contenant 99,7 % d'aluminium, enregistré sur le marché londonien.

Comment sont fabriqués les lingots d'aluminium
Le procédé de coulée de lingots d'aluminium consiste à injecter de l'aluminium en fusion dans le moule. Après refroidissement, l'aluminium est extrait et transformé en brame. L'injection est une étape clé pour la qualité du produit. La coulée est également le processus physique de cristallisation de l'aluminium liquide en aluminium solide.
Le flux de processus de coulée de lingots d'aluminium est approximativement le suivant : taraudage de l'aluminium - scories - ramassage - ingrédients - chargement du four - affinage - coulée - lingots d'aluminium pour la refusion - inspection du produit fini - inspection du produit fini - entreposage - élimination de l'aluminium - scories - ramassage - ingrédients - chargement du four - décapage - coulée - lingots d'alliage - coulée de lingots d'alliage - inspection du produit fini - inspection du produit fini - entreposage

Les méthodes de coulée couramment utilisées sont divisées en coulée continue et coulée semi-continue verticale.

Coulée continue

La coulée continue se divise en deux catégories : la coulée en four mixte et la coulée externe. Toutes deux utilisent des machines de coulée continue. La coulée en four mixte consiste à couler l'aluminium en fusion dans un four mixte et est principalement utilisée pour la production de lingots d'aluminium destinés à la refusion et à la coulée d'alliages. La coulée externe est réalisée directement de la poche à la machine de coulée. Elle est principalement utilisée lorsque l'équipement de coulée ne répond pas aux exigences de production ou que la qualité des matériaux entrants est trop mauvaise pour être directement introduit dans le four. En l'absence de source de chauffage externe, la poche doit maintenir une certaine température, généralement comprise entre 690 °C et 740 °C en été et entre 700 °C et 760 °C en hiver, afin de garantir un aspect optimal du lingot d'aluminium.

Pour la coulée dans le four de mélange, les ingrédients doivent d'abord être mélangés, puis versés dans le four, agités uniformément, puis additionnés de fondant pour l'affinage. Le lingot d'alliage de coulée doit être clarifié pendant plus de 30 minutes, après quoi le laitier peut être coulé. Lors de la coulée, l'œil du four de mélange est aligné avec les deuxième et troisième moules de la machine de coulée, ce qui assure une certaine mobilité lors des changements de flux de liquide et de moule. L'œil du four et la machine de coulée sont reliés par une goulotte. Il est préférable d'avoir une goulotte plus courte, ce qui permet de réduire l'oxydation de l'aluminium et d'éviter les tourbillons et les projections. Lorsque la machine de coulée est arrêtée pendant plus de 48 heures, le moule doit être préchauffé pendant 4 heures avant de redémarrer. L'aluminium fondu s'écoule dans le moule par la goulotte, et la pellicule d'oxyde à sa surface est éliminée à l'aide d'une pelle, ce qui est appelé scorification. Une fois un moule rempli, le canal de coulée est déplacé vers le moule suivant et la machine de coulée avance en continu. Le moule avance séquentiellement et l'aluminium en fusion refroidit progressivement. Lorsqu'il atteint le milieu de la machine, l'aluminium en fusion se solidifie en lingots d'aluminium, marqués d'un numéro de fusion par l'imprimante. Lorsqu'il atteint le sommet de la machine, il est complètement solidifié. À ce moment, le moule est retourné, éjecté du moule et tombe sur le chariot de réception automatique, qui est automatiquement empilé et groupé par l'empileur pour former le lingot d'aluminium fini. La machine de coulée est refroidie par pulvérisation d'eau, mais l'eau doit être fournie après un tour complet de la machine. Chaque tonne d'aluminium en fusion consomme environ 8 à 10 tonnes d'eau, et une soufflante est nécessaire pour le refroidissement de la surface en été. Le lingot est un moulage à plat. La solidification de l'aluminium en fusion se fait de bas en haut, puis le milieu de la partie supérieure se solidifie, laissant un retrait en forme de rainure. Le temps et les conditions de solidification varient d'une partie à l'autre du lingot d'aluminium, ce qui entraîne des différences dans sa composition chimique, mais elle est globalement conforme à la norme.

Les défauts courants des lingots d'aluminium destinés à la refusion sont :

1. Stoma. La principale raison est que la température de coulée est trop élevée, que l'aluminium en fusion contient davantage de gaz, que la surface du lingot d'aluminium présente de nombreux pores (trous d'épingle), que la surface est sombre et que des fissures à chaud apparaissent dans les cas graves.
2 Inclusion de scories. La principale raison est que les scories ne sont pas propres, ce qui entraîne des inclusions de scories à la surface ; la deuxième raison est que la température de l'aluminium en fusion est trop basse, ce qui provoque des inclusions de scories internes.
3. Ondulations et bavures. La principale raison est un fonctionnement défectueux, un lingot d'aluminium trop gros ou un dysfonctionnement de la machine de coulée.
④ Fissures. Les fissures à froid sont principalement causées par une température de coulée trop basse, ce qui rend les cristaux des lingots d'aluminium peu denses, provoquant des desserrages, voire des fissures. Les fissures thermiques sont causées par une température de coulée trop élevée.
5 Ségrégation des composants. Principalement causée par un mélange irrégulier lors de la coulée de l'alliage.

Coulée semi-continue verticale

La coulée semi-continue verticale est principalement utilisée pour la production de lingots d'aluminium, de brames et de divers alliages déformés destinés à l'usinage de profilés. L'aluminium fondu est versé dans le four de mélange après dosage. En raison des exigences spécifiques des fils, une plaque intermédiaire Al-B doit être ajoutée pour éliminer le titane et le vanadium (lingots) de l'aluminium fondu avant la coulée ; les brames doivent être affinées avec un alliage Al-Ti-B (Ti5 %B1 %). L'organisation de surface doit être parfaite. Ajouter 5 % d'agent d'affinage 2# à l'alliage à haute teneur en magnésium, mélanger uniformément, laisser reposer 30 minutes, éliminer l'écume, puis couler. Soulever le châssis de la machine de coulée avant la coulée et souffler l'humidité sur le châssis à l'air comprimé. Ensuite, soulevez la plaque de base dans le cristallisoir, appliquez une couche d'huile lubrifiante sur la paroi intérieure du cristallisoir, versez de l'eau de refroidissement dans la chemise d'eau, placez la plaque de distribution sèche et préchauffée, le bouchon de régulation automatique et la goulotte en place, de sorte que chaque orifice de la plaque de distribution soit situé au centre du cristallisoir. Au début de la coulée, appuyez manuellement sur le bouchon de réglage automatique pour bloquer la buse, ouvrez l'œil du four de mélange et laissez l'aluminium liquide s'écouler dans la plaque de distribution par la goulotte. Lorsque le liquide d'aluminium atteint les 2/5 dans la plaque de distribution, relâchez le bouchon de réglage automatique afin que l'aluminium fondu s'écoule dans le cristallisoir et refroidisse sur le châssis. Lorsque le liquide d'aluminium atteint 30 mm de hauteur dans le cristallisoir, le châssis peut être abaissé et l'eau de refroidissement commence à être envoyée. Le bouchon de réglage automatique contrôle l'écoulement équilibré de l'aluminium liquide dans le cristallisoir et maintient la hauteur de l'aluminium liquide dans le cristallisoir inchangée. L'écume et le film d'oxyde à la surface de l'aluminium en fusion doivent être éliminés rapidement. Lorsque la longueur du lingot d'aluminium atteint environ 6 m, bloquez l'œil du four, retirez la plaque de distribution, coupez l'alimentation en eau une fois l'aluminium liquide complètement solidifié, retirez la chemise d'eau, sortez le lingot d'aluminium coulé à l'aide d'une grue monorail et placez-le sur la scieuse selon les dimensions requises. Sciez-le et préparez-le pour la coulée suivante. Pendant la coulée, la température de l'aluminium en fusion dans le four de mélange est maintenue entre 690 et 710 °C, la température de l'aluminium en fusion dans la plaque de distribution est maintenue entre 685 et 690 °C, la vitesse de coulée est de 190 à 210 mm/min et la pression de l'eau de refroidissement est de 0,147 à 0,196 MPa.

La vitesse de coulée est proportionnelle au lingot linéaire à section carrée :
VD=K où V est la vitesse de coulée, mm/min ou m/h ; D est la longueur du côté de la section du lingot, mm ou m ; K est la valeur constante, m2/h, généralement 1,2～1,5.

La coulée semi-continue verticale est une méthode de cristallisation séquentielle. Une fois l'aluminium fondu introduit dans l'alésage, il commence à cristalliser sur la plaque inférieure et la paroi intérieure du moule. Les conditions de refroidissement étant différentes au centre et sur les côtés, la cristallisation forme une zone centrale basse et une périphérie haute. Le châssis descend à vitesse constante. Parallèlement, de l'aluminium liquide est injecté en continu dans la partie supérieure, créant ainsi une zone semi-solidifiée entre l'aluminium solide et l'aluminium liquide. L'aluminium liquide se rétractant lors de la condensation et une couche d'huile lubrifiante recouvrant la paroi intérieure du cristallisoir, l'aluminium solidifié sort du cristallisoir lors de la descente du châssis. Des trous d'eau de refroidissement sont percés dans la partie inférieure du cristallisoir, permettant de pulvériser l'eau de refroidissement jusqu'à sa sortie. La surface du lingot d'aluminium est soumise à un refroidissement secondaire jusqu'à la coulée complète du lingot.

La cristallisation séquentielle permet d'obtenir des conditions de solidification relativement satisfaisantes, ce qui améliore la granulométrie, les propriétés mécaniques et la conductivité électrique de la cristallisation. Les propriétés mécaniques sont identiques selon la hauteur du lingot de comparaison, la ségrégation est faible, le refroidissement est plus rapide et une structure cristalline très fine peut être obtenue.

La surface du lingot de fil d'aluminium doit être plane et lisse, exempte de scories, de fissures, de pores, etc. La longueur des fissures superficielles ne doit pas dépasser 1,5 mm, la profondeur des scories et des rides superficielles ne doit pas dépasser 2 mm, et la section ne doit pas présenter de fissures, de pores ni d'inclusions de scories. Il ne doit pas y avoir plus de cinq inclusions de scories de moins de 1 mm.

Les principaux défauts des lingots de fil d'aluminium sont :

1. Fissures. La raison est que la température et la vitesse de l'aluminium en fusion sont trop élevées et que les contraintes résiduelles augmentent. Si la teneur en silicium de l'aluminium en fusion est supérieure à 0,8 %, une même masse fondue d'aluminium et de silicium se forme, ce qui génère une certaine quantité de silicium libre, ce qui augmente la résistance à la fissuration thermique du métal. Ou encore, la quantité d'eau de refroidissement est insuffisante. Si la surface du moule est rugueuse ou si aucun lubrifiant n'est utilisé, la surface et les angles du lingot se fissurent également.

2 Inclusion de scories. L'inclusion de scories à la surface du lingot d'aluminium est due aux fluctuations de l'aluminium en fusion, à la rupture du film d'oxyde à sa surface et à la pénétration de scories à la surface du lingot. L'huile de lubrification peut également entraîner l'introduction de scories. L'inclusion de scories internes est due à la basse température de l'aluminium en fusion, à sa viscosité élevée, à son incapacité à flotter dans le temps ou aux variations fréquentes du niveau d'aluminium en fusion pendant la coulée.

3. Compartiment froid. La formation d'une barrière froide est principalement due à des fluctuations excessives du niveau d'aluminium fondu dans le moule, à une température de coulée trop basse, à une vitesse de coulée trop lente ou aux vibrations et à la chute irrégulière de la machine de coulée.

④ Stoma. Les pores mentionnés ici sont de petits pores d'un diamètre inférieur à 1 mm. Cela s'explique par une température de coulée trop élevée et une condensation trop rapide, empêchant le gaz contenu dans l'aluminium liquide de s'échapper à temps. Après solidification, de petites bulles se forment et forment des pores dans le lingot.

5. La surface est rugueuse. La paroi interne du cristallisoir n'étant pas lisse, la lubrification est insuffisante et, dans les cas graves, des tumeurs d'aluminium se forment à la surface du cristal. Un rapport fer/silicium trop élevé peut également entraîner un phénomène de ségrégation dû à un refroidissement irrégulier.

6. Fuite d'aluminium et nouvelle analyse. La principale cause est un problème de fonctionnement, et un problème plus grave peut également provoquer des nodules.

Application de l'alliage d'aluminium et de silicium moulé (Al-Si)
Alliage aluminium-silicium (Al-Si), dont la fraction massique de silicium est généralement comprise entre 4 et 22 %. Grâce à ses excellentes propriétés de coulée, telles qu'une bonne fluidité, une bonne étanchéité à l'air, un faible retrait et une faible tendance à la chaleur, l'alliage Al-Si présente, après modification et traitement thermique, de bonnes propriétés mécaniques et physiques, une bonne résistance à la corrosion et des aptitudes à l'usinage moyennes. C'est l'alliage d'aluminium coulé le plus polyvalent. Voici quelques exemples des alliages les plus couramment utilisés :

(1) Alliage ZL101(A) : L'alliage ZL101 présente une bonne étanchéité à l'air, une bonne fluidité et une bonne résistance aux fissures thermiques, des propriétés mécaniques modérées, une bonne résistance au soudage et à la corrosion, une composition simple, une facilité de moulage et convient à diverses méthodes de moulage. Il est utilisé pour la fabrication de pièces complexes supportant des charges modérées, telles que des pièces d'avion, des instruments, des boîtiers d'instruments, des pièces de moteur, des pièces automobiles et navales, des blocs-cylindres, des corps de pompe, des tambours de frein et des pièces électriques. De plus, la teneur en impuretés de l'alliage ZL101 est strictement contrôlée, et l'alliage ZL101A, aux propriétés mécaniques supérieures, est obtenu grâce à une technologie de moulage améliorée. Il a été utilisé pour le moulage de diverses pièces de coque, de corps de pompe d'avion, de boîtes de vitesses automobiles et de fioul, de coudes de boîte, d'accessoires aéronautiques et d'autres pièces porteuses.

(2) Alliage ZL102. L'alliage ZL102 présente une excellente résistance aux fissures thermiques, une bonne étanchéité à l'air et une bonne fluidité. Il ne peut être renforcé par traitement thermique et présente une faible résistance à la traction. Il convient à la coulée de pièces complexes de grandes dimensions et à parois minces. Il est également adapté au moulage sous pression. Ce type d'alliage est principalement utilisé pour supporter des pièces moulées à parois minces et à faible charge de formes complexes, telles que divers boîtiers d'instruments, des carters automobiles, des équipements dentaires, des pistons, etc.

(3) Alliage ZL104 : L'alliage ZL104 présente une bonne étanchéité à l'air, une bonne fluidité et une bonne résistance aux fissures thermiques, une résistance mécanique élevée, une bonne résistance à la corrosion, de bonnes performances de soudage et de coupe, mais une faible résistance à la chaleur, une production facile de petits pores et un procédé de moulage plus complexe. Par conséquent, il est principalement utilisé pour la fabrication de pièces moulées en sable de grande taille capables de supporter des charges élevées, telles que les carters de transmission, les blocs-cylindres, les soupapes de culasse, les courroies, les couvercles de boîtes à outils et autres pièces d'aéronefs, de navires et d'automobiles.

(4) Alliage ZL105 : L’alliage ZL105 présente des propriétés mécaniques élevées, des performances de coulée et de soudage satisfaisantes, une meilleure aptitude à la coupe et une meilleure résistance à la chaleur que l’alliage ZL104, mais une faible plasticité et une faible stabilité à la corrosion. Il convient à diverses méthodes de coulée. Ce type d’alliage est principalement utilisé pour la production d’avions, de moules en sable pour moteurs et de pièces moulées en métal supportant de lourdes charges, telles que les carters de transmission, les blocs-cylindres, les carters de pompes hydrauliques, les pièces d’instruments, ainsi que les supports de paliers et autres pièces mécaniques.

Application de l'alliage d'aluminium-zinc moulé (Al-Zn)

Pour les alliages Al-Zn, grâce à la forte solubilité du Zn dans l'aluminium, l'ajout de Zn à une fraction massique supérieure à 10 % à l'aluminium permet d'améliorer considérablement la résistance de l'alliage. Bien que ce type d'alliage présente une forte tendance au vieillissement naturel et qu'une résistance élevée puisse être obtenue sans traitement thermique, ses inconvénients sont une faible résistance à la corrosion, une densité élevée et une fissuration à chaud facile lors de la coulée. Par conséquent, ce type d'alliage est principalement utilisé pour la fabrication de boîtiers d'instruments moulés sous pression.

Les caractéristiques et les applications des alliages Al-Zn coulés courants sont les suivantes :

(1) Alliage ZL401 : L’alliage ZL401 présente des performances de coulée moyennes, une faible tendance au retrait et à la fissuration à chaud, de bonnes performances de soudage et de coupe, une résistance élevée à l’état coulé, mais une faible plasticité, une densité élevée et une faible résistance à la corrosion. Il est principalement utilisé pour la coulée sous pression de diverses pièces. Sa température de fonctionnement ne dépasse pas 200 °C, et sa structure et sa forme sont complexes pour les pièces automobiles et aéronautiques.

(2) Alliage ZL402 L'alliage ZL402 a des performances de coulée moyennes, une bonne fluidité, une étanchéité à l'air modérée, une résistance aux fissures thermiques, de bonnes performances de coupe, des propriétés mécaniques élevées et une résistance aux chocs à l'état moulé, mais une densité élevée, la fusion Le processus est complexe et il est principalement utilisé pour les équipements agricoles, les machines-outils, les pièces moulées de navires, les appareils radio, les régulateurs d'oxygène, les roues rotatives et les pistons de compresseurs d'air.
Application de l'alliage d'aluminium et de magnésium moulé (Al-Mg)

La fraction massique de magnésium dans l'alliage Al-Mg est de 4 à 11 %. Cet alliage présente une faible densité, des propriétés mécaniques élevées, une excellente résistance à la corrosion, de bonnes performances de coupe et une surface brillante et esthétique. Cependant, en raison de la complexité des procédés de fusion et de coulée de ce type d'alliage, outre sa résistance à la corrosion, il est également utilisé comme alliage décoratif. Les caractéristiques et applications des alliages Al-Mg couramment coulés sont les suivantes.

(1) Alliage ZL301 : L'alliage ZL301 présente une résistance élevée, un bon allongement, d'excellentes performances de coupe, une bonne soudabilité et peut être anodisé et vibré. Son inconvénient est sa tendance à se détacher microscopiquement et sa difficulté à couler. L'alliage ZL301 est utilisé pour la fabrication de pièces hautement résistantes à la corrosion sous fortes charges, à des températures de fonctionnement inférieures à 150 °C et fonctionnant en atmosphère et en eau de mer, telles que des cadres, des supports, des tiges et des accessoires.

(2) Alliage ZL303 : L’alliage ZL303 présente une bonne résistance à la corrosion, une bonne soudabilité, de bonnes performances de coupe, un polissage facile, des performances de coulée acceptables, de faibles propriétés mécaniques, ne peut être renforcé par traitement thermique et a tendance à former des trous de retrait. Il est largement utilisé en moulage sous pression. Ce type d’alliage est principalement utilisé pour les pièces soumises à des charges moyennes et soumises à la corrosion, ou pour les pièces en atmosphère froide dont la température de fonctionnement ne dépasse pas 200 °C, telles que les pièces de navires et les coques de machines.

(3) Alliage ZL305 : L'alliage ZL305 est principalement enrichi en zinc sur la base d'un alliage Al-Mg afin de contrôler le vieillissement naturel, d'améliorer la résistance mécanique et la résistance à la corrosion sous contrainte, d'offrir de bonnes propriétés mécaniques globales et de réduire l'oxydation, la porosité et les défauts de pores. Ce type d'alliage est principalement utilisé pour les pièces soumises à de fortes charges, fonctionnant à des températures inférieures à 100 °C et fortement corrosives, fonctionnant en atmosphère ou en eau de mer, comme les pièces des navires.
Introduction à la connaissance des lingots d'aluminium
Lingot d'aluminium pour refusion - 15 kg, 20 kg (≤ 99,80 % Al) :
Lingot d'aluminium en forme de T - 500 kg, 1 000 kg (≤ 99,80 % Al) :
Lingots d'aluminium de haute pureté - 10 kg, 15 kg (99,90 % ～ 99,999 % Al) ;
Lingot d'alliage d'aluminium - 10 kg, 15 kg (Al--Si, Al--Cu, Al--Mg) ;
Lingot de plaque - 500 à 1 000 kg (pour la fabrication de plaques) ;
Broches rondes - 30 à 60 kg (pour le tréfilage).

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