Dans ce mémoire nous avons étudié la conductivité thermique, la diffusivité thermique, la capacité thermique et la granulométrie de produits du carbone comme le coke et l'anthracite. Ces propriétés thermo physiques ont été analysées dans la gamme de températures de 20 - 1 000° C. À faible température, une méthode en régime stationnaire (guarded hot plate technique) a été utilisée. Pour mesurer la diffusivité thermique jusqu'à 1 000°C, un dispositif basé sur un principe de chauffage monotonique, a été développé. La méthode flash a aussi été utilisée pour les mesures de certaines particules de grandes dimensions. De plus, la porosité et la granulométrie ont été déterminées. Pour l'interprétation des données expérimentales, des modèles faisant appel à des conductivités équivalentes ont été appliqués. La dépendance de la température sur les résultats fait l'objet d'une discussion.

Depuis des milliers d'années, les métaux ont pourvu aux besoins matériels des gens. L'aluminium ne fait pas exception, et est certainement l'un des métaux les plus prisé en raison de sa légèreté. Ce n'est que dans les années 1800 que sa fabrication (son extraction en fait) est rendu possible avec le procédé de Hall-Héroult. Aujourd'hui encore, ce procédé est le seul utilisé à l'échelle industrielle, et requiert un appareillage complexe impliquant les domaines thermique et électrique. Étant donnée que certaines parties de la cuve de Hall-Héroult sont particulièrement importantes, elles font l'objet d'études particulières. C'est le cas notamment des anodes et des cathodes. Le but de ce présent ouvrage était de comprendre et de quantifier les phénomènes de résistance de contact thermique et électrique se produisant à la cathode ainsi qu'à l'anode d'une cuve d'électrolyse. Ces données ont été traduites sous formes de loi de comportement. La problématique du mauvais transfert électrique et de chaleur entre deux matériaux provient du fait que les aspérités et les cavités des surfaces en contact créent un espace interstitiel entre les solides; il peut même y avoir une couche de gaz emprisonnée dans les cavités. Si bien que les deux surfaces ne se touchent qu'avec moins de 3% de leur surface apparente, même si une énorme pression est appliquée sur les solides. Cela crée un étranglement des lignes de courant aux points de contact réels, engendrant la résistance de contact. Il existe plusieurs modèles théoriques de résistance de contact thermique et électrique. Ces modèles sont cependant basés sur des hypothèses assez restrictives ainsi que sur des propriétés des matériaux qui peuvent être très difficiles à obtenir pour des températures élevées. Une méthodologie expérimentale a donc été préférée à une approche théorique. Un montage expérimental a été conçu et fabriqué dans les laboratoires de l'Université. Des échantillons ont été fabriqués à l'usine Alcan Grande-Baie. Une attention particulière a été prise pour que la fabrication des échantillons soit la plus fidèle possible à la réalité des scellements d'anode et de cathode des usines Aîcan. Plusieurs essais ont été réalisés sur les échantillons de fonte/carbone et de fonte/acier anodiques et cathodiques. Tel que prévu, les résistances de contact thermiques et électriques diminuent avec la pression et la température. Cependant il semble que les valeurs des résultats expérimentaux soient plus élevées que celles prédites par les modèles théoriques. En effet, les résistances électriques sont de 3 à 5 fois supérieures aux modèles théoriques, tandis que les résistances thermiques sont 2 à 3 fois supérieures aux différents modèles théoriques. De plus, un comportement monotonique entre les valeurs des résistances de contact et la température était attendu. Or, une variation non-monotonique, vers 500°C, a été observée de façon récurrente. Ces phénomènes « non attendu » ne seraient peut-être pas étrangers à certaines observations faites en laboratoire. Effectivement, un durcissement de la fonte en surface, un recuit de relaxation de la fonte, une formation d'oxydes de surface, une décarburisation de la fonte, des zones de soudure entre la fonte et l'acier ont été observés tout au long des essais en laboratoire. Ces perturbations métalurgico-chimique qui surviennent sans doute également en usine, pourrait sans doute expliquer la variation des valeurs expérimentales par rapport aux modèles théoriques, de même que la non-monotonicité des résistances de contact selon la température. Ces perturbations sont en majorité des mécanismes se produisant principalement à hautes températures (mis à part le durcissement de la surface de la fonte). Une validation de ces mécanismes serait pertinente pour bien comprendre toutes les variables relatives aux résistances de contact.

Le procédé Hall-Héroult, permettant la production de l'aluminium par electrolyse, est très énergivore et polluant. Le rendement de production de ce procédé se nomme efficacité de courant et est défini comme étant le rapport entre la production de métal réelle et théorique, obtenue par la loi de Faraday. La compagnie Process Performance Technologies a développé un projet dans le but d'augmenter l'efficacité de courant du procédé Hall-Héroult. Ce projet est divisé en deux volets distincts, soit la mise au point d'un système de contrôle ainsi que le développement d'un système d'analyse statistique incluant un modèle mathématique de prédiction d'efficacité de courant. Le travail de recherche de cette maîtrise, mené en collaboration avec la compagnie P.P.T., porte essentiellement sur le modèle mathématique de prédiction d'efficacité de courant. L'objectif principal était de valider et d'améliorer le modèle utilisée par P.P.T.. Pour ce faire, une large recherche bibliographique a été effectuée afin de comparer les équations du modèle P.P.T. à celles présentes dans la littérature. D'autre part, une banque de relations empiriques concernant les propriétés de l'électrolyte, tirées de la littérature, a été remise à la compagnie afin de permettre à l'utilisateur du système de choisir les équations les plus appropriées au type de bain qu'il utilise. Une étude approfondie, portant sur un des paramètres importants du modèle, l'épaisseur de la gelée, a aussi été effectuée. L'analyse de plusieurs modèles globaux à résistances thermiques a permis de mieux comprendre l'influence du coefficient de transfert de chaleur bain-gelée sur l'épaisseur de la couche de gelée. De plus, diverses modélisations numériques, réalisées à l'aide d'un logiciel commercial d'éléments finis, ont été effectuées afin d'étudier le comportement de la gelée et aussi dans le but d'obtenir une équation généralisée reliant les pertes de chaleur et l'épaisseur de la gelée.

Les travaux présentés ici ont pour objet l'étude fondamentale de l'écoulement gaz-liquide dans un canal ouvert vers le bas. Cette étude permettra de mieux comprendre l'effet des rainures de l'anode sur la cuve d'électrolyse. La complexité du phénomène étudié fait en sorte qu'il est nécessaire d'avoir recours à l'expérimentation en utilisant un modèle à eau de l'écoulement dans un canal ouvert. Ces expériences permettent tout d'abord de décrire en détail la morphologie de l'écoulement. Comme il a déjà été observé dans d'autres écoulements gaz-liquides, différents régimes d'écoulement sont répertoriés pour le canal ouvert vers le bas. La mesure de différentes variables dans l'écoulement notamment la fraction volumique des phases, la taille des bulles, de même que la vitesse des bulles et du liquide permet de mieux comprendre les régimes d'écoulement et les transitions et permettra l'élaboration et la validation d'un modèle mathématique de l'écoulement dans la rainure. En plus de s'intéresser à l'écoulement dans un canal ouvert vers le bas, les travaux réalisés ont permis d'étudier l'effet de cet écoulement sur la couche de bulles sous l'anode. Grâce à l'expérimentation sur un modèle à eau, les variables comme le taux de couverture par le gaz ou la distribution de la taille des bulles ont pu être mesurées sur une anode rainurée ou non. Des techniques non intrusives basées sur l'analyse d'image ont permis de recueillir toutes les données nécessaires sur l'écoulement. Les caractéristiques précises de l'écoulement étudié ainsi que la nature des mesures devant être effectuées ont rendu nécessaire le développement d'outils d'analyse d'image spécifiquement pour l'étude de l'écoulement dans la rainure. Ces outils utilisent les principes fondamentaux de traitement et d'analyse des images et peuvent être utilisés à la fois pour un écoulement confiné entre deux plaques ou le mouvement des bulles sous une surface.

Au cours des années doctorales, deux des principaux aspects concernant le rôle des bulles dans une cuve d'électrolyse ont été étudiés : l'écoulement engendré par celles-ci et l'augmentation de la résistance électrique causée par leur présence sous l'anode. Les quatre premiers chapitres de la thèse sont principalement dédiés au premier aspect tandis que le dernier porte sur la résistance électrique. Dans le premier chapitre, une modélisation numérique de l'écoulement engendré par les bulles a été effectuée. Pour la première fois, un modèle polyphasique euler-euler a été utilisé. Les résultats obtenus numériquement ont été comparés à ceux mesurés dans un modèle physique à eau. La comparaison a montré que le champ d'écoulement global est similaire dans les deux cas, mais que la grandeur du champ de vitesse est légèrement supérieure dans le cas du modèle numérique. Une partie de cette différence est attribuée au fait que les données quantitatives concernant le mouvement d'une bulle sous une surface légèrement inclinée n'étaient pas disponibles. Au deuxième chapitre, les influences de l'inclinaison de la surface, du volume des bulles et des propriétés du liquide sur le mouvement d'une bulle sous une surface légèrement inclinée sont étudiées expérimentalement. Pour l'ensemble des études réalisées, les bulles se déplaçaient en régime de mouillage complet, c.-à-d. que la bulle et la surface solide sont séparées par un mince film de liquide. Au chapitre 3, un capteur à fibres optiques a été développé pour mesurer l'épaisseur de ce film de liquide. Cette dernière est un paramètre important pour comprendre le rôle du film liquide sur le mouvement de la bulle. Le capteur tient compte de la perturbation engendrée par la présence de l'interface inférieure de la bulle. Par la suite, deux régimes asymptotiques du mouvement d'une bulle sous une surface ont été étudiés au chapitre 4. Le premier est dominé par la dissipation visqueuse associée à l'existence du film tandis que le deuxième est principalement contrôlé par l'inertie. Finalement, dans le dernier chapitre, un modèle mathématique qui évalue l'augmentation de la résistance électrique engendrée par la présence d'un grand nombre de bulles sous des conditions normales d'électrolyse est présenté. Le modèle mathématique proposé prend comme données d'entrée les sorties du simulateur de la couche gazeuse développé à l'Université du Québec à Chicoutimi. Auparavant, une étude quantifiant l'influence de la forme de la bulle sur l'augmentation de la résistance électrique est effectuée.

L'objectif général de cette thèse de doctorat est de développer des modèles mathématiques permettant d'évaluer l'énergie requise pour le dégivrage thermique par effet Joule des conducteurs aériens de transport de courant et ainsi prévenir la formation de glace dans des conditions météorologiques et de transmission électrique variées. Les prédictions de ces modèles analytiques ont été validées expérimentalement dans le but d'évaluer la puissance prédictive de ces modèles. Premièrement, un modèle a été établi pour calculer l'intensité de courant minimum nécessaire pour empêcher la formation de glace sur un conducteur de ligne à haute tension. Des coefficients de correction, tenant compte de d'eau de ruissellement sur la surface du conducteur, de même que la dérivation du film d'eau à partir de l'état d'équilibre thermique, ont été introduits pour trois conducteurs spécifiques. Les résultats des modèles s'accordent bien avec les observations effectuées dans des conditions correspondantes simulées dans une soufflerie réfrigérée. Afin de compléter le modèle, il était nécessaire d'évaluer le coefficient moyen de transfert de chaleur pour les conducteurs toronnés. Ce coefficient a été obtenu pour des conducteurs nus de lignes aériennes avec différentes géométries de surface, en utilisant des mesures et des simulations numériques. Deuxièmement, un modèle basé sur le principe des différences finies a été développé pour calculer le courant et l'énergie requis pour le dégivrage des conducteurs partiellement couverts de glace. Deux types de chauffage thermique par effet Joule ont été analysés, le courant alternatif et le courant d'impulsion, et ce, pour un grand nombre de paramètres atmosphériques. On a trouvé que ceux deux techniques de chauffage peuvent être utilisées selon des stratégies différentes dépendamment du temps d'interaction nécessaire au cours du processus d'accumulation de glace. Afin de compléter le modèle, il a fallu évaluer la conductivité thermique radiale équivalente des conducteurs toronnés par le moyen de modèles théoriques avec validation expérimentale. Troisièmement, des approches analytiques validées expérimentalement ont été proposées afin de déterminer le temps et l'énergie nécessaires pour le dégivrage d'un conducteur complètement recouvert de glace en utilisant la chaleur dérivée d'un courant alternatif nominal augmenté. Cette procédure peut donner une estimation rapide de la chaleur par effet Joule exigée pour enlever totalement la glace autour d'un conducteur en fonction des différents paramètres l'influençant. En conclusion, cette thèse propose des modèles mathématiques validés expérimentalement, qui peuvent être utilisés efficacement pour calculer le courant et l'énergie requis pour le dégivrage des conducteurs à haute tension ou pour prévenir l'accumulation de glace sur ceux-ci.

Les cuves d'électrolyse de l'aluminium sont construites de manière à ce qu'une couche protectrice de bain électrolytique se solidifie sur les parois : la « gelée ». L'épaisseur et la forme du profil de gelée sont des paramètres importants lors de l'opération de la cuve d'électrolyse, et des efforts sont faits pour contrôler cette couche. Dans le cadre de la recherche, un capteur pouvant s'installer à l'intérieur du mur latéral de la cuve d'électrolyse a été développé. Le potentiel et les limitations de ce capteur thermique, pour l'évaluation de l'épaisseur et de la forme de la couche de gelée, furent évalués. Le capteur est composé de thermocouples qui mesurent des températures dans la paroi. Un programme solutionnant le problème inverse en conduction thermique interprète ces températures. Un bloc d'anthracite, utilisé dans la construction des parois des cuves, a été instrumenté avec le capteur. Une couche de sable représentait la gelée. Différentes épaisseurs et formes de sable ont été étendues sur le bloc. Ces expériences ont montré que le capteur détermine correctement l'épaisseur moyenne de la couche de sable. Lorsqu'il y a une variation de la forme, la capacité du capteur à identifier l'interface dépend de la sensibilité des mesures. Le nombre optimal de mesures, les paramètres d'identification et l'influence des conductivités thermiques des matériaux ont été analysés. Finalement, des matériaux pouvant être utilisés pour la protection des thermocouples, lors d'une éventuelle installation dans la paroi de la cuve d'électrolyse, sont présentés.

Le recyclage de l'aluminium a de multiples effets positifs sur l'économie et l'environnement. Il aide à conserver les ressources, réduire les dépenses d'énergie de 95% et le coût de l'aluminium. Aujourd'hui, le recyclage est une composante majeure de l'industrie de raluminium. Les canettes de boisson constituent la catégorie de recyclables la plus importante en quantité et en qualité. En général, on effectue la refonte des canettes dans les fours à puits latéral. L'industrie du recyclage croît très rapidement, et pour demeurer compétitive, elle doit optimiser son efficacité en diminuant les coûts d'énergie et maximisant la productivité. Dans cette optique, un projet a été entrepris pour le développement des modèles du four à puits latéral. À l'aide de ces modèles, on peut améliorer et optimiser le design et l'opération de ces fours. L'objectif du projet est de développer des outils pour les travaux d'amélioration et d'optimisation requis des fours à puits latéral : Un modèle mathématique général en 3D pour des études détaillées comme la meilleure géométrie du four, et la meilleure position de la pompe et de l'hélice pour optimiser la fusion et la circulation du métal, Un modèle mathématique dynamique simplifié pour des études de contrôle et d'opération. Le four est composé de deux parties : un puits latéral dans lequel les copeaux de canettes déchiquetées sont alimentés et une chambre principale dans laquelle la chaleur est introduite. Des arches d'entrée et de sortie assurent la circulation du métal entre ces deux parties à travers le mur de séparation. Dans le puits latéral, on installe une hélice pour submerger les copeaux, à laquelle on adjoint un muret pour favoriser la circulation du métal chaud. Certaines usines ajoutent une pompe à injection de métal dans la chambre principale pour obtenir un meilleur brassage dans le bain de métal liquide. La performance d'un four de refonte peut être caractérisée par le rendement énergétique et le taux de refonte. Ces paramètres dépendent du transfert effectif de la chaleur entre la chambre de combustion où elle est générée et les points d'utilisation. La chaleur est requise pour maintenir le métal liquide à une certaine température et pour fondre les copeaux introduits dans le puits latéral et le métal solide admis dans la chambre principale. Le projet consiste en quatre parties. La première partie est le développement d'un modèle en 3D pour le calcul de l'écoulement isotherme dans le bain de métal. On solutionne les équations différentielles de la continuité, de la quantité de mouvement en trois directions, et de la turbulence en utilisant le logiciel CFX. Un grand nombre de simulations ont été effectuées pour étudier l'effet des paramètres sur l'écoulement. À partir des résultats, on a optimisé les positions de l'hélice et de la pompe, la longueur et le type du muret, les grandeurs des arches, la largeur du puits, et la géométrie de la chambre principale pour obtenir la meilleure circulation du métal liquide dans le bain. La deuxième partie est la modélisation de la chambre de combustion. Un modèle à une zone de gaz est développé pour calculer le transfert de chaleur au métal (aussi aux réfractaires) par rayonnement et par convection. Ce modèle ne donne pas tous les détails concernant les distributions de la température et de la densité de flux de chaleur, mais il est simple et il tient compte de tous les phénomènes importants. De plus, le temps de calcul est très court. Une étude paramétrique a été déjà effectuée pour déterminer les effets des différents facteurs sur le transfert de chaleur au métal. Les résultats montrent qu'on peut améliorer le transfert de chaleur au métal en augmentant le débit du carburant et la température de l'air de combustion. Le débit du carburant a un impact significatif, mais le rendement du four diminue avec une augmentation du débit. La température de l'air de combustion est le paramètre le plus important et le plus facile à ajuster. Le préchauffage de l'air augmente le transfert de chaleur ainsi que le rendement du four. Aussi, il est important de mélanger le bain de métal pour maintenir la température de la surface la plus basse possible pour que le transfert de chaleur au métal soit favorisé. La troisième partie est la modélisation globale du four en 3D. Étant donné le caractère transitoire du procédé, le transfert de chaleur dans le métal liquide est aussi incorporé dans lé modèle du bain de métal, et il est couplé avec le modèle de la chambre de combustion. Pour optimiser le temps de calcul, le champ de vitesse est déterminé en régime établi, et ce champ de vitesse est utilisé pour solutionner l'enthalpie en régime transitoire. Les résultats montrent que l'écoulement forcé est le facteur le plus important. Le gradient de température diminue avec la circulation du métal à travers les arches et le brassage dans la chambre principale. On voit que le gradient moyen de la température dans la chambre principale diminue de 50% (d'environ 80°C à 40°C) en ajoutant un muret et de 80-90% (d'environ 80°C à 10°C) avec un muret et une pompe. La quatrième partie est le développement du modèle dynamique du four pour améliorer le contrôle du procédé. Le four à puits latéral est un système très dynamique et tout varie en fonction du temps. Pour étudier l'aspect d'opération, il faut un modèle dynamique. La modélisation est faite de façon modulaire en deux parties représentant le métal et la chambre de combustion. Les deux parties sont construites séparément puis sont couplées ensemble afin d'obtenir un outil intégré. L'interface pour le couplage est la surface du bain de métal. C'est un modèle simplifié, mais il tient compte de tous les phénomènes et tous les événements du procédé. Ce modèle sert comme un four virtuel. Un émulateur de contrôle est ajouté et un simulateur pour fours à puits latéral est ainsi obtenu. Le simulateur qui est utilisé à partir d'une interface-usager est transféré à l'industrie pour des applications. Plusieurs études ont été déjà effectuées en utilisant ce simulateur. On a étudié les effets des positions des thermocouples d'opération (contrôle), de la température maximale des réfractaires permise, des préchauffages des métaux alimentés et de l'air de combustion sur la performance du four. Les améliorations ont été apportées au procédé à partir des résultats obtenus. Tous les modèles sont validés en utilisant les données expérimentales disponibles du laboratoire et des usines. Tous les résultats du modèle mathématique sont confirmés par les observations en usine.

Les constructeurs automobiles travaillent depuis bon nombre d'années à réduire le poids de leurs voitures en incluant des composantes en aluminium fabriquées par moulage. Le moulage par voie semi-solide permet de réaliser des pièces de haute qualité avec une cadence de production élevée. Afin de prédire la qualité de solidification des pièces moulées, il faut résoudre des simulations numériques et ces dernières nécessitent la connaissance du coefficient d'interface de transfert de chaleur (h). Le h est une valeur qui permet de quantifier l'échange thermique qui se produit entre la pièce et le moule tout au long du processus de moulage. Ce coefficient change en fonction du temps puisque la qualité du contact entre les deux surfaces est en constante évolution en cours de moulage. Puisqu'il existe peu d'information dans la littérature en lien avec les h obtenus en utilisant du métal à l'état semi-solide et que cette information est nécessaire pour effectuer les simulations numériques, un objectif a été mis de l'avant afin de pouvoir résoudre la problématique. Cet objectif vise à obtenir une banque de données de h pour le moulage sous pression de l'aluminium A357 à l'état semi-solide pour certains paramètres de moulage, ou facteurs, considérés importants, soient : la température du moule, la vitesse du piston, la pression d'intensification, la quantité et le type de lubrifiant. La démarche scientifique utilisée pour atteindre cet objectif inclut des travaux expérimentaux, numériques et statistiques. Un plan d'expériences fractionnaire est élaboré de façon à optimiser le nombre d'essais expérimentaux de moulage sous pression devant être réalisé. Pour chacun des essais du plan d'expériences, un lopin semi-solide est fabriqué selon le procédé SEED avec la recette développée pour l'aluminium A357. Une courbe de calibration a été obtenue expérimentalement afin de connaître la température en régime stationnaire que doit atteindre le moule avant de procéder au moulage. La température du moule en régime stationnaire présente une relation linéaire avec la consigne de température donnée aux unités de régulation Regloplas. Lors de l'opération de moulage, des thermocouples placés stratégiquement à l'intérieur du moule permettent de mesurer l'évolution en température tout près de l'interface pièce/moule. Cette information est nécessaire pour procéder aux simulations numériques visant à déterminer, par le biais d'une méthode de calcul inverse, l'évolution du h qui caractérise le transfert de chaleur entre la pièce et le moule. Les simulations numériques s'effectuent à l'aide du logiciel ProCAST. Le modèle numérique et la méthodologie numérique utilisés dans le cadre du projet ont été élaborés suite à une étude de sensibilité approfondie portant sur différents facteurs. Cette étude a permis de faire ressortir quelques conclusions intéressantes : La présence du trou permettant l'insertion du thermocouple dans le moule, les valeurs choisies pour les paramètres de résolution TAU et DTMAX ainsi que la position du thermocouple (pointe du trou) sur la géométrie du modèle numérique sont quatre facteurs étudiés indépendamment qui affectent beaucoup l'évolution du h obtenue par calcul inverse à l'interface pièce/moule. Un TAU de 1 s, un DTMAX de 1 s et la position du thermocouple à 2,6 mm de l'interface sont trois conditions vérifiées qui démontrent une différence marquée au niveau des évolutions du h par rapport à celle obtenue avec le modèle optimisé (TAU = 0,001 s, DTMAX = 0,01 s et position du thermocouple à 1,6 mm de l'interface). La taille du maillage discrétisant le domaine du modèle étudié, le pas de temps choisi pour exprimer les valeurs initiales du h de 0 à 3 s ainsi que l'angle présent dans le fond du trou permettant l'insertion du thermocouple sont trois facteurs étudiés indépendamment qui affectent dans une certaine proportion l'évolution du h obtenue par calcul inverse à l'interface pièce/moule. Un maillage grossier, un pas de temps de 1 s et un angle de 45° dans le fond du trou sont trois conditions vérifiées qui démontrent une certaine différence au niveau des évolutions du h par rapport à celle obtenue avec le modèle optimisé (maillage raffiné, pas de temps de 0,1 s et angle de 67,5°). La dimension du modèle (ID ou 2D), la température initiale imposée à la partie moule du modèle étudié (identique en tout point du moule ou varie linéairement tel un gradient) et la température initiale imposée à la partie pièce du modèle étudié (586,5 ou 591,5 °C) sont trois facteurs étudiés indépendamment qui n'affectent que peu ou pas les évolutions du h obtenues par calcul inverse à l'interface pièce/moule. Cette même conclusion peut être tirée lorsque le modèle numérique pièce/moule est simplifié en imposant une condition de Dirichlet à un endroit donné du moule ou que le modèle étudié soit couplé ou découplé. Les courbes de h ont été déterminées pour chacun des essais retrouvés dans le plan d'expériences. Un modèle mathématique simple représentant l'évolution type du h a été appliqué à l'ensemble des courbes. Le modèle mathématique se divise en deux zones : évolution linéaire du h jusqu'à une valeur maximale (0 à 0,1 s) et décroissance exponentielle du h jusqu'à un régime stationnaire (0,1 à 25 s). Les valeurs de quatre variables réponses (m, a, b, ho) ont été prélevées sur chacune des courbes et incluses dans le logiciel Statgraphics pour effectuer une analyse statistique. L'analyse statistique a permis de faire ressortir un système d'équations, associé aux variables réponses, capable de reproduire le modèle mathématique décrivant l'évolution du h pour des conditions de moulage données. Ce système d'équations donne accès à une banque de données de h considérant les cinq paramètres de moulage étudiés et l'étendue des valeurs retrouvées dans le plan d'expériences. Les évolutions du h obtenues suite à l'évaluation des équations donnent tout de même de très bons résultats, mais une amélioration pourrait être faite en utilisant un modèle mathématique plus représentatif des valeurs de h obtenues suite aux calculs inverses et/ou en traitant davantage de données dans l'analyse statistique. L'analyse statistique a également mené à l'identification du paramètre de moulage dont l'influence est la plus marquée sur le h parmi ceux étudiés, soit la pression d'intensification. D'autres facteurs et interactions influencent également le h, mais de façon moins significative.

L'origine de la technologie de la mise en forme des métaux semi-solides remonte à plus de trente ans. L'industrialisation du moulage d'alliages semi-solides ne s'est répandue que depuis une dizaine d'année et elle a amené une nouvelle problématique, soit le développement de moules spécifiques. Les concepts utilisés pour fabriquer des moules pour l'injection d'alliages liquides ne garantissent par la performance avec l'utilisation d'alliages semi-solides. Surtout dans le moulage sous pression où la phase de remplissage du moule est critique lors de l'utilisation d'alliages semi-solides. Des outils de simulation numérique sont nécessaires pour concevoir et optimiser les moules. Ce travail à donc comme objectif de déterminer la validité d'un modèle mathématique à une phase utilisé dans un environnement de simulation isotherme pour reproduire l'écoulement de l'aluminium semi-solide dans le moulage sous pression. Une moule utilisé pour fabriquer des éprouvettes de traction sert de témoin. Ce moule a été choisi parce qu'il présente des difficultés lors de son remplissage. Dans un premier temps, la modélisation physique avec un fluide analogue est utilisée pour reproduire les conditions d'injection de l'aluminium semi-solide. La pâte de tomate a été choisie comme fluide analogue pour ses propriétés pratiques et rhéologiques. Une réplique de moule a été fabriquée. Celle-ci utilise des parties en acrylique pour permettre l'enregistrement vidéo du remplissage du moule. Une caméra numérique capturant jusqu'à mille images par seconde a réalisé cet enregistrement. Diverses conditions de vitesses d'injections et de configuration du système de ventilation ont été mises à l'essai et enregistrées. Ces conditions ont été reproduites dans le logiciel de simulation ProCAST. Un modèle mathématique à une phase a servi à modéliser la viscosité de la pâte de tomate en fonction du taux de cisaillement. Ce modèle a été étalonné d'après la caractérisation rhéologique expérimentale de la pâte de tomate. Les résultats des simulations montrent une bonne concordance avec les vidéos des remplissages expérimentaux. L'environnement de simulation a ainsi été validé. Par la suite, un modèle mathématique a été utilisé pour représenter l'aluminium semi-solide dans le même environnement de simulation. Le modèle de rhéologie de l'aluminium semi-solide est une loi de puissance. Les caractéristiques de ce modèle ont été tirées des travaux antérieurs d'Orgéas. Ils permettent de comparer les résultats avec d'autres dans la littérature. Pour valider ces simulations, une série de moulages de pièces en aluminium semi-solide a été réalisée. Cette série comprend plusieurs pièces de remplissage partiel et quelques pièces complètes. Les pièces de remplissage partiel montrent l'écoulement du fluide lors de l'injection à divers temps fixés. Les pièces complètes permettent d'analyser les produits finis en métallographie. La combinaison de ces résultats montre que les simulations de l'écoulement de l'aluminium semi-solide permettent de prévoir le patron de remplissage. Le modèle à une phase n'est cependant pas en mesure de reproduire la ségrégation des phases, présente dans le moulage expérimental. Ce phénomène peut être évité en produisant une distribution symétrique du fluide dans le moule. La comparaison des résultats expérimentaux obtenus avec l'aluminium semi-solide et avec la pâte de tomate permet d'établir que cette dernière est un bon fluide analogue pour l'aluminium semi-solide. La modélisation physique peut donc être utilisée dans le développement de moules. Il est plus rapide de simuler diverses vitesses d'injection en modélisation physique qu'en modélisation mathématique. Les outils pour la conception et le développement de moules spécifiques à l'utilisation d'aluminium semi-solide ont été validés. Un modèle à une phase permet de reproduire le comportement macroscopique de l'aluminium semi-solide lors de l'injection dans un moule, si le moule n'est pas propice à la ségrégation des phases. Ceci permet de mettre à l'essai plusieurs géométries de moule sans nécessiter de fabrication. Remerciements Ce travail a été réalisé à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) en collaboration étroite avec le Centre des Technologies de l'Aluminium (CTA). L'auteur est sous la supervision du Professeur André Charette de l'UQAC et du Docteur Dominique Bouchard du CTA. Un support particulier a été fourni par Frédéric Pineau (CTA) en modélisation. La fabrication du moule a été assurée par Antoine Pelletier de l'Institut des matériaux industriels. La modélisation physique a été réalisée à l'usine pilote installée dans les locaux chez STAS avec Roberto Chevarie et Stéphane Leclerc. Chang-Qing Zheng (CTA) a aussi permis de réaliser les pièces moulées sur la presse. Le procédé SEED, breveté par Alcan Inc., a été utilisé pour produire l'aluminium semi-solide.