Axes de recherche

Le programme scientifique proposé par le Centre de recherche sur l’aluminium – REGAL reflète des enjeux importants pour le Québec, tant sur le plan économique qu’environnemental. Cette programmation est composée de 2 axes qui suivent le cheminement du métal (de l’alumine jusqu’à l’utilisation), elle est basée sur les cartes routières technologiques (canadienne et américaine) et touche des sujets qui font l’unanimité dans le milieu.

Axe 1 – Production de l’aluminium

Responsable scientifique : Duygu Kocaefe

La production d’Al, qui occupe une place importante dans l’économie du Québec (7000 emplois, 9 usines, 2,8 Mt/an), se base sur différentes technologies issues du procédé de Hall-Héroult (HH). Malgré les avancées des dernières années, le procédé HH produit près de 5,1 t de CO2 équivalent par t d’Al, consomme de 13 à 14 MWh/t d’Al (pour les usines du Québec) et produit de fortes quantités de brasques usées contaminées et fortement toxiques (environ 60 kt/an au Canada). Quant à l’Al produit, sa qualité est directement liée à celle des matières premières (coke, alumine) utilisées ainsi qu’aux opérations réalisées lors de la coulée. Alignée sur les problématiques de l’industrie, la programmation scientifique proposée s’inscrit donc dans une perspective de développement durable. De par l’expertise de ses chercheurs, le REGAL s’attaquera à la qualité des matières premières, à l’amélioration du procédé HH, à la qualité du métal de première fusion ainsi qu’à la gestion des matières résiduelles.

Qualité des matières premières et gestion des résidus

Responsable du thème : Houshang Alamdari

Membres réguliers contribuant à ce thème : Mohamed Bouazara, Duygu Kocaefe, Mario Fafard, Louis Gosselin, Dilip Sarkar et Carl Duchesne.

Qualité des matières premières

Le procédé Bayer, utilisé pour l’extraction de l’alumine à partir de la bauxite, demeure encore aujourd’hui très populaire malgré le fait qu’il est très consommateur en eau et énergie et qu’il produit une grande quantité de déchets (boues rouges), nécessitant des bassins de stockage. Le procédé Orbite constitue l’alternative de choix au procédé Bayer mais demeure toujours au stade du développement. L’approvisionnement en coke de qualité constitue également un problème majeur. La présence de souffre et autres éléments chimiques non désirés dans le coke, si non traité, mène inévitablement à d’importants rejets néfastes pour l’environnement. Finalement, la réactivité chimique ainsi que l’efficacité électrique des électrodes de carbone passent également par la qualité des techniques et des paramètres de fabrication. La recherche proposée par le REGAL s’attaquera aux sources alternatives de coke et d’alumine, aux procédés alternatifs d’extraction ainsi qu’à la fabrication des anodes de carbone.

Gestion des résidus

De la production d’aluminium primaire résulte d’importantes quantités de résidus de natures variées. Bien que des procédés et mécanismes ont été mis en place afin de réduire au mieux l’impact de ces résidus sur l’environnement, peu de ces avancées technologiques auront permis de valoriser, voire recycler, ces résidus. Les principaux résidus dont il est question sont les boues rouges résultant du procédé Bayer, des brasques usées obtenues au terme de la vie utile d’une cellule d’électrolyse, des résidus gazeux ainsi que des rejets thermiques. De par l’expertise complémentaire de ses chercheurs et dans un contexte de développement durable, le REGAL mettra l’emphase sur la valorisation des boues rouge (récupération 30-40% Fe, Ti, briques, engrais, catalyseur, etc.), sur le recyclage des alumines de faible granulométrie ainsi que sur la valorisation des rejets thermiques émanant des cuves HH et des centres de coulée.

Procédé Hall-Héroult et métal de première fusion

Responsable du thème : Carl Duchesne

Membres réguliers contribuant à ce thème : Houshang Alamdari, Mario Fafard, Louis Gosselin, Daniel Marceau, X-Grant Chen, Duygu Kocaefe et Laszlo Kiss.

Procédé Hall-Héroult

Malgré le fait qu’il ait subi d’importantes améliorations au fil des ans, le procédé HH fait toujours l’objet de recherche intensive afin d’accroitre l’efficacité énergétique, la capacité de production ainsi que la longévité des cellules d’électrolyse. Cette longévité a un impact économique et environnemental par son lien direct avec la quantité de brasques usées à traiter. La recherche proposée par le REGAL, qui s’inscrit dans un contexte de réduction d’émission à la source et d’efficacité énergétique, s’attaquera aux techniques de mesure in situ, au monitoring et contrôle liés à la dynamique et à la stabilité des cellules, à la performance des assemblages anodiques et cathodiques, aux critères de performance du démarrage des cellules, aux techniques de caractérisation des matériaux et interfaces à haute température et en situation d’électrolyse, à l’interaction bain/alumine/métal/électrode, à la cinétique de dissolution d’alumine ainsi qu’à la dynamique et stabilité de la gelée.

Métal de première fusion

La création de valeur-ajoutée dans les alumineries passe par la production de métal rencontrant les exigences en matière de pureté. La qualité du métal produit est directement conditionnée par celle des opérations de coulée, du contrôle des conditions de solidification et de refroidissement ainsi que par la nature des impuretés en présence. En effet, l’augmentation progressive du niveau d’impureté occasionnée par la qualité des matières premières (coke, alumine, éléments d’addition, etc.) utilisées ainsi que le conditionnement de la cellule d’électrolyse auront un impact sur les impuretés en présence dans le métal. En ce sens, l’expertise des chercheurs du REGAL sera mise à profit afin de développer de nouvelles technologies pour le traitement du métal (filtration, dégazage, fluxing, etc.) ainsi que des outils de pilotage des diverses opérations (du siphonage à la coulée du lingot), assurant ainsi des retombées économiques et environnementales appréciables pour les alumineries.

Axe 2 – Transformation et applications

Responsables scientifiques : Carl Blais et Mohammad Jahazi

L’importance que revêt la transformation de l’Al pour le Québec n’est plus à démontrer. Actuellement, plus de 600 kt d’Al sont ainsi transformées au Québec en première transformation (fil, tube, tuyau, profilé, etc.), soit près de 23 % de la totalité de l’Al produit. En ce sens, les activités de recherche identifiées par le REGAL s’orientent prioritairement vers la 2e et 3e transformation et, en particulier, vers des applications à plus fortes valeurs ajoutées. Plus spécifiquement, le REGAL s’attaquera au développement d’applications dans les domaines des infrastructures, de l’aéronautique, du transport terrestre et maritime ainsi que dans de nouveaux créneaux où l’on retrouve, entre autres, les revêtements contre la corrosion, les matériaux nanostructurés, etc. Chacun des thèmes implique des expertises variées allant du développement d’alliages spécifiques à celui d’outils numériques en passant par les techniques de mise en oeuvre, assemblage, traitement de surface, recyclage, etc.

Infrastructures

Responsable du thème : Mario Fafard

Malgré le fait que l’Al a su démontrer de grandes qualités quant à son utilisation dans la fabrication de ponts, il demeure encore aujourd’hui sous-utilisé au Québec pour la fabrication d’infrastructures diverses et, en particulier, pour les bâtiments et les ouvrages d’art. En ce sens, ce thème a clairement été identifié par AluQuébec comme en étant un à fort potentiel de retombées économiques et sociales pour le Québec. Il s’attaque dans un premier temps, à la construction de tabliers de ponts en Al sur des poutres d’acier et ce, pour les ponts neufs mais également pour les ponts existants en acier/béton ou acier/bois. La suite consiste à examiner le bois comme superstructure portante et son assemblage avec le tablier. Il existe déjà des passerelles en Al mais il demeure des problèmes de vibrations, de fatigue et de choix de section extrudée plus optimale. Finalement, l’utilisation de l’Al pour les panneaux/architecture et le mobilier urbain sera étudiée.

Membres réguliers contribuant à ce thème : Lyne St-Georges, Sofiene Amira, Charles-Darwin Annan, Philippe Bocher, X-Grant Chen, Franco Chiesa, Richard Chromik, Houshang Alamdari, Alain Desrochers, Michel Guillot, Mohammad Jahazi, Laszlo Kiss et Charles-Philippe Lamarche.

Aéronautique

Responsable du thème : Mathieu Brochu

Les alliages d’Al constituent des matériaux de choix pour la fabrication de nombreuses composantes dans les aéronefs, pouvant représenter près de 80% du poids total de l’appareil. Le développement de nouveaux alliages, jumelé à l’avènement de nouvelles technologies de fabrication, de mise en forme et d’assemblage multi-matériaux ainsi que des composites hybrides permettront d’atteindre des ratios d’allègement encore jamais atteints. Il importe donc d’optimiser l’utilisation de ces nouvelles technologies tout en mesurant l’impact de ces changements de pratiques sur le comportement en fatigue des nouvelles composantes ainsi que sur leur recyclabilité en fin de vie. La recherche proposée s’oriente donc vers les grandes priorités identifiées par les consortiums CRIAQ et le CARIC auxquels participent plusieurs chercheurs du REGAL. Elle s’attaque notamment à l’allègement des structures via la réduction du ratio BFT, le développement d’assemblages multi-matériaux et de composites hybrides.

Membres réguliers contribuant à ce thème : Bernard Tougas, Sofiene Amira, Carl Blais, Philippe Bocher, Myriam Brochu, X-Grant Chen, Franco Chiesa, Richard Chromik, Alain Desrochers, Augustin Gakwaya, Nicolas Giguère, Michel Guillot, Mohammad Jahazi, Laszlo Kiss, David Levasseur, Christian Mascle, Tan Pham, Dilip Sarkar, Victor Songmene, Lyne St-Georges et Raynald Gauvin.

Transport terrestre et maritime

Responsable du thème : Alain Desrochers

L’utilisation de l’Al dans les transports exige le développement de nouvelles approches de dimensionnement par le biais d’un choix judicieux des alliages et traitements ainsi que des techniques de fabrication et d’assemblage des composants. L’obtention des propriétés mécaniques recherchées permet d’envisager un rôle structural efficace pour les éléments constituant l’enveloppe des véhicules. Dans un contexte d’électrification des transports, tel qu’identifié dans la Politique nationale de la recherche et de l’innovation (PNRI), l’allègement des structures se traduit par un accroissement des performances, une réduction des gaz à effet de serre ainsi qu’une autonomie accrue. En ce sens, la recherche proposée s’attaquera aux transports individuel, collectif et maritime pour lesquels on s’intéressera, selon le type de transport, au développement de structures à forte rigidité, à la tenue mécanique en service (fatigue des joints soudés, flambage des éléments d’absorption d’énergie), à la corrosion ainsi qu’à la recyclabilité en fin de vie.

Membres réguliers contribuant à ce thème : Bernard Tougas, Sofiene Amira, Carl Blais, Mohamed Bouazara, Mathieu Brochu, Myriam Brochu, X-Grant Chen, Franco Chiesa, Richard Chromik, Augustin Gakwaya, Nicolas Giguère, Michel Guillot, Mohammad Jahazi, Laszlo Kiss, Daniel Larouche, David Levasseur, Tan Pham, Dilip Sarkar, Victor Songmene et Lyne St-Georges.

Nouveaux créneaux

Responsable du thème : Dilip Sarkar

Le REGAL a identifié 5 éléments de recherche fortement porteurs dont les résultats permettraient de consolider le savoir-faire québécois dans le domaine de la transformation de l’Al et de ses applications ; en plus d’alimenter, au besoin, les autres thèmes de la programmation ainsi que l’orientation des courants pour les années à venir. En ce sens, l’expertise des chercheurs du REGAL sera mise à profit dans les domaines de la fabrication des composants nano-structurées (propriétés mécaniques, résistance à la corrosion), de revêtements (biocompatibilité des alliages, résistance à la corrosion, résistance à la fatigue, hydrophobe) ainsi que la fabrication et le stockage d’énergies renouvelables (cellules photovoltaïques). Il s’agit d’un thème « ouvert » dans lequel pourront s’ajouter, au besoin, les éléments de recherche jugés pertinents par le comité scientifique du REGAL.

Membres réguliers contribuant à ce thème : Bernard Tougas, Sofiene Amira, Carl Blais, Myriam Brochu, X-Grant Chen, Franco Chiesa, Richard Chromik, Alain Desrochers, Nicolas Giguère, Mohammad Jahazi, Laszlo Kiss, David Levasseur, Tan Pham, Victor Songmene, Lyne St-Georges et Raynald Gauvin.