Fusion de l’aluminium

Electrolyte : L’électrolyte est un bain fondu de cryolite (Na3AlF6) et d’alumine dissoute. La cryolite est un bon solvant de l’alumine avec un point de fusion bas, une viscosité satisfaisante et une faible pression de vapeur. Sa densité est également inférieure à celle de l’aluminium liquide (2 vs 2,3 g/cm3), ce qui permet une séparation naturelle du produit du sel au fond de la cuve. Le rapport cryolite (NaF/AlF3) dans la cryolite pure est de 3, avec une température de fusion de 1010 °C, et elle forme un eutectique avec 11% d’alumine à 960 °C. Dans les cellules industrielles, le ratio de cryolithe est maintenu entre 2 et 3 pour diminuer sa température de fusion à 940-980 °C.

Cathode : Les cathodes de carbone sont essentiellement constituées d’anthracite, de graphite et de coke de pétrole, qui sont calcinés à environ 1200 °C et broyés et tamisés avant d’être utilisés dans la fabrication des cathodes. Les agrégats sont mélangés à du brai de houille, formés et cuits. La pureté du carbone n’est pas aussi stricte que pour l’anode, car la contamination métallique de la cathode n’est pas importante. La cathode de carbone doit avoir une solidité adéquate, une bonne conductivité électrique et une résistance élevée à l’usure et à la pénétration du sodium. Les cathodes d’anthracite ont une résistance à l’usure plus élevée et un fluage plus lent avec une amplitude plus faible que les cathodes de coke de pétrole graphitique et graphitisé. Au contraire, les cathodes denses avec plus d’ordre graphitique ont une conductivité électrique plus élevée, une consommation d’énergie plus faible et un gonflement plus faible dû à la pénétration du sodium. Le gonflement entraîne une détérioration précoce et non uniforme des blocs cathodiques.

Anode : Les anodes de carbone ont une situation spécifique dans la fusion de l’aluminium et selon le type d’anode, la fusion de l’aluminium est divisée en deux technologies différentes ; les anodes « Soderberg » et « précuites ». Les anodes sont également fabriquées à partir de coke de pétrole, mélangé à du brai de charbon, puis formées et cuites à des températures élevées. La qualité de l’anode affecte les aspects technologiques, économiques et environnementaux de la production d’aluminium. L’efficacité énergétique est liée à la nature des matériaux de l’anode, ainsi qu’à la porosité des anodes cuites. Environ 10% de la puissance des cellules est consommée pour surmonter la résistance électrique de l’anode précuite (50-60 μΩm). La consommation de carbone est supérieure à la valeur théorique en raison d’une faible efficacité du courant et d’une consommation non électrolytique. La qualité inhomogène de l’anode due à la variation des matières premières et des paramètres de production affecte également ses performances et la stabilité de la cellule.

Les anodes précuites sont divisées en types graphitisés et coke. Pour la fabrication des anodes graphitisées, l’anthracite et le coke de pétrole sont calcinés et classés. Ils sont ensuite mélangés à de la poix de goudron de houille et pressés. L’anode verte pressée est ensuite cuite à 1200 °C et graphitée. Les anodes de coke sont fabriquées à partir de coke de pétrole calciné, de mégots d’anodes recyclés et de brai de goudron (liant). Les anodes sont fabriquées en mélangeant des agrégats avec du brai de goudron de houille pour former une pâte à la consistance pâteuse. Ce matériau est le plus souvent vibro-compacté mais dans certaines usines, il est pressé. L’anode verte est ensuite frittée à 1100-1200 °C pendant 300-400 heures, sans graphitisation, pour augmenter sa résistance par décomposition et carbonisation du liant. Des températures de cuisson plus élevées augmentent les propriétés mécaniques et la conductivité thermique, et diminuent la réactivité à l’air et au CO2. La résistance électrique spécifique des anodes de type coke est plus élevée que celle des anodes graphitisées, mais elles ont une résistance à la compression plus élevée et une porosité plus faible.

Les électrodes Soderberg (cuisson in situ), utilisées pour la première fois en 1923 en Norvège, sont composées d’une coque en acier et d’une masse carbonée qui est cuite par la chaleur s’échappant de la cellule d’électrolyse. Soderberg Les matériaux carbonés tels que le coke et l’anthracite sont broyés, traités thermiquement et classés. Ces agrégats sont mélangés à du brai ou du pétrole comme liant, puis briquetés et chargés dans la coquille. La température augmente du bas vers le haut de la colonne et la cuisson in-situ a lieu lorsque l’anode est descendue dans le bain. Une quantité importante d’hydrocarbures est émise pendant la cuisson, ce qui constitue un inconvénient de ce type d’électrodes. La plupart des fonderies modernes utilisent des anodes précuites car le contrôle du processus est plus facile et un rendement énergétique légèrement meilleur est atteint, comparé aux anodes Soderberg.