Le procédé Hall-Héroult 

Le procédé Hall-Héroult consiste à électrolyser de l’alumine dissoute dans un bain de sels fondu à l’aide d’un courant continu afin de produire de l’aluminium sous forme liquide. Le courant électrique, de l’ordre de 100 à 600 kiloampères, passe entre les anodes de carbone consumables et la cathode .

L’alumine, extraite de la bauxite par le procédé Bayer, est introduite dans la cuve à un taux de 0.5 à 2 kg/min dans le canal central ou en différents points de la cuve, généralement de 2 à 5 points. L’alimentateur utilise un cylindre pneumatique, nommé piqueur, afin de briser la croûte permettant ainsi à l’alumine d’atteindre le bain. Le système de contrôle d’alimentation utilise un algorithme relié à la résistance électrique de la cuve pour maintenir la concentration d’alumine dans le bain entre 2 et 4% massique.

Le bain est principalement composé de cryolite (Na3AlF6), d’alumine (Al2O3) et de différents fluorures (fluorure d’aluminium (AlF3), fluorure de calcium (CaF2), fluorure de magnésium (MgF2), fluorure de lithium (LiF), fluorure de potassium (KF)), ajoutés dans le but de réduire la température du liquidus du bain. La composition chimique typiquement utilisée en industrie est de 11% massique en excès d’AlF3, de 5% massique de CaF2 et de 3% massique d’Al2O3. Les fluorures de magnésium, de lithium et de potassium ne sont pas toujours utilisés et leur concentration se chiffre à moins de 4% massique. Le bain électrolytique, chauffé uniquement par effet Joule, est maintenu à une température comprise entre 940 et 970˚C. La surchauffe, un des paramètres opérationnels importants du procédé, est définie comme la différence entre la température du bain et celle du liquidus et varie typiquement entre 5 et 20˚C.

La production et l’évacuation du dioxyde de carbone aux anodes et l’effet magnétohydrodynamique ayant lieu dans la couche de métal, créent un écoulement dans le bain électrolytique et dans la couche de métal liquide. Les bulles de CO2 formées aux anodes contribuent grandement à l’homogénéisation de la concentration d’alumine dans le bain. L’effet magnétohydrodynamique produit une déformation de l’interface bainmétal (roulis de la nappe de métal).

La cuve d’électrolyse est principalement constituée d’anodes précuites de carbone ou d’une anode dans le cas des cuves Söderberg, d’un bain électrolytique, d’une couche de métal, d’un système d’alimentation d’alumine et de fluorure d’aluminium ainsi que du bloc cathodique qui inclut le bloc de carbone, les barres collectrices, un bloc d’isolation et une coquille d’acier .

Une cuve à anodes précuites contient généralement 20 anodes qui doivent être remplacées, une à une, tous les 22 à 26 jours. La distance anode-cathode, définit comme la distance entre le bas des anodes et la cathode électrochimique (interface bain-métal), est d’environ 4 à 5 cm. La hauteur du bain est d’environ 20 cm et celle de la couche de métal est comprise entre 15 et 25 cm. Une ligne de cuves modernes est généralement constituée de 150 à 288 cuves connectées en série. La chute de voltage, causée par les réactions électrochimiques, les surtensions de concentration et de réaction, ainsi que les différents résistances ohmiques, est comprise entre 4 et 4.5 volts.

Le procédé Hall-Héroult possède deux types de rendement ; un rendement de production, nommé efficacité de courant et un rendement énergétique. L’efficacité de courant correspond à la quantité réelle de métal produit dans la cellule sur la quantité théorique possible de produire selon la loi de Faraday. Il existe trois principales catégories de causes de perte d’efficacité de courant ; les pertes par réactions d’oxydoréduction, les pertes par chemins parasites du courant ainsi que les pertes physiques de métal. La plus importante perte d’efficacité de courant est reliée à la réoxydation du métal dissous dans le bain électrolytique. Dans la définition traditionnelle, la réaction de réoxydation du métal impliquait l’aluminium dissous tandis que dans la description plus moderne du phénomène, le métal responsable de la perte d’efficacité de courant serait le sodium dissous dans le bain électrolytique.  L’efficacité de courant des cuves modernes se situe entre 90 et 95%.

Le rendement énergétique du procédé Hall-Héroult correspond à la quantité d’énergie utilisée pour la production de métal sur la quantité réelle consommée. Le procédé nécessite de 13-14 kWh pour produire 1kg d’aluminium et 50% de cette quantité d’énergie est évacuée de la cuve sous forme de perte de chaleur.

L’alumine 

La concentration en alumine α dépend principalement de la température de calcination et est comprise entre 10 et 30% massique pour l’alumine utilisée dans les cuves industrielles. La teneur en alumine α affecte la formation de la croûte sur le dessus du bain en raison de son rôle sur le mécanisme de frittage (formation des plaquettes). La concentration doit être en dessous de 30% d’alumine α pour permettre la production d’une couche de croûte stable et résistante. L’alumine contient différentes impuretés, principalement des oxydes, dont la plus importante en masse est l’oxyde de sodium avec 0.5 %. On retrouve aussi de l’oxyde de calcium, du silicium, du titane, de l’oxyde de fer, du phosphore ainsi que du vanadium.

L’alumine en poudre, aussi appelée en vrac a une densité comprise entre 900 et 1150 kg/m³ tandis que sa densité réelle, c’est-à-dire sans porosité, se situe autour de 3550 kg/m³ . La porosité est définie comme le rapport entre le volume d’espace vide du milieu poreux sur le volume totale occupé par la matrice solide et l’espace vide. La porosité de l’alumine peur être mesurée expérimentalement par porosimétrie par intrusion de mercure et se chiffre autour de 0.75. La surface spécifique de l’alumine est calculée à partir de la technique Brunauer-Emmett-Teller (BET) basée sur la physisorption de l’azote. Cette propriété, particulièrement importante pour l’étude des réactions dans l’épurateur à sec et pour le mécanisme de dissolution, permet de quantifier la surface interstitielle entre le solide et le fluide. La surface spécifique BET varie grandement selon la teneur en alumine α et est comprise entre 5 et 100 m²/g.

La taille moyenne des particules d’alumine est d’environ 100 µm de diamètre et varie de 20 à 150 µm. Les particules trop fines (moins de 45 µm) ou trop grosses (plus de 100 µm) ont des impacts négatifs sur le procédé. Les particules fines produisent de la poussière durant les opérations tandis que celles de grande taille diminuent le taux de dissolution.

L’humidité est présente dans l’alumine sous trois différents niveaux, soit l’humidité, le LOI et le MOI. Le premier correspond au pourcentage de perte massique entre 0˚C et 110˚C et est associée aux molécules d’eau condensées dans les pores ainsi que celles physiquement adsorbées. Les deux autres, le LOI (Loss On Ignition) et MOI (Moisture On Ignition), correspondent respectivement à la perte massique de 110 à 300˚C et de 300 à 1000˚C. Les molécules d’eau libérées dans ces gammes de température correspondent à l’eau chimiquement adsorbée sous forme d’hydrates d’alumine (structural water). L’humidité, généralement comprise entre 0 et 1.5% massique de l’alumine en poudre, réagit avec le bain électrolytique pour former du HF mais a par contre un effet bénéfique sur la dissolution de l’alumine jusqu’à une certaine limite autour de 1% massique. La désorption explosive de l’humidité produit un effet de dispersion des grains d’alumine dans le bain ce qui accroît le taux de dissolution, tandis qu’une haute teneur en alumine γ peut entraîner des problèmes lors de l’alimentation de la cuve en alumine (formation d’un volcan).