Fonderie d'aluminium - Aluminium smelting

Fonderie de Point Henry en Australie
Aperçu de la fonderie de Point Henry, exploitée par Alcoa World Alumina and Chemicals en Australie
Fonderie d'aluminium de Straumsvik en Islande
Fonderie d'aluminium de Straumsvik, exploitée par Rio Tinto Alcan en Islande.

La fonderie d'aluminium est le procédé d'extraction de l' aluminium de son oxyde, l' alumine , généralement par le procédé Hall-Héroult . L'alumine est extraite du minerai de bauxite au moyen du procédé Bayer dans une raffinerie d'alumine .

Il s'agit d'un processus électrolytique , donc une fonderie d' aluminium utilise d'énormes quantités d'énergie électrique ; les fonderies ont tendance à être situées à proximité de grandes centrales électriques, souvent hydroélectriques , afin de maîtriser les coûts et de réduire l' empreinte carbone globale . Les fonderies sont souvent situées à proximité des ports, car de nombreuses fonderies utilisent de l'alumine importée.

Aménagement d'une aluminerie

Le procédé d'électrolyse Hall-Héroult est la principale voie de production de l'aluminium primaire. Une cellule électrolytique est constituée d'une coque en acier avec une série de revêtements isolants en matériaux réfractaires. La cellule se compose d'une coque extérieure en acier doublée de briques servant de conteneur et de support. A l'intérieur de l'enveloppe, les blocs cathodiques sont cimentés entre eux par de la pâte de pilonnage. Le revêtement supérieur est en contact avec le métal en fusion et fait office de cathode. L'électrolyte fondu est maintenu à haute température à l'intérieur de la cellule. L' anode précuite est également en carbone sous forme de gros blocs frittés suspendus dans l'électrolyte. Une seule électrode Soderberg ou plusieurs blocs de carbone précuits sont utilisés comme anode, tandis que la formulation principale et les réactions fondamentales se produisant à leur surface sont les mêmes.

Une fonderie d'aluminium est constituée d'un grand nombre de cellules (pots) dans lesquelles se déroule l'électrolyse. Une fonderie typique contient de 300 à 720 pots, dont chacun produit environ une tonne d'aluminium par jour, bien que les plus grandes fonderies proposées aient jusqu'à cinq fois cette capacité. La fusion s'effectue par lots, l'aluminium métallique étant déposé au fond des pots et périodiquement siphonné. En Australie en particulier, ces fonderies sont utilisées pour contrôler la demande du réseau électrique et, par conséquent, l'électricité est fournie à la fonderie à un prix très bas. Cependant, l'alimentation ne doit pas être interrompue pendant plus de 4 à 5 heures, car les pots doivent être réparés à un coût important si le métal liquide se solidifie.

Principe

L'aluminium est produit par réduction électrolytique d'oxyde d'aluminium dissous dans de la cryolite fondue .

En même temps, l'électrode de carbone est oxydée, initialement en monoxyde de carbone

Bien que la formation de monoxyde de carbone (CO) soit thermodynamiquement favorisée à la température de réaction, la présence de surtensions importantes (différence entre les potentiels réversibles et de polarisation) modifie l'équilibre thermodynamique et un mélange de CO et de CO
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est produit. Ainsi, les réactions globales idéalisées peuvent être écrites comme

En augmentant la densité de courant jusqu'à 1 A/cm 2 , la proportion de CO
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augmente et la consommation de carbone diminue.

Comme trois électrons sont nécessaires pour produire chaque atome d'aluminium, le processus consomme une grande quantité d'électricité. Pour cette raison, les fonderies d'aluminium sont situées à proximité de sources d'électricité bon marché, comme l' hydroélectricité .

Composants de la cellule

Electrolyte : L'électrolyte est un bain fondu de cryolithe (Na 3 AlF 6 ) et d'alumine dissoute. La cryolite est un bon solvant pour 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/cm 3 ), ce qui permet une séparation naturelle du produit du sel en fond de cellule. Le rapport cryolithique (NaF/AlF 3 ) dans la cryolithe 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 cryolite est maintenu entre 2 et 3 pour abaisser sa température de fusion à 940-980 °C.

Cathode : Les cathodes en 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 avec du brai de goudron 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 significative. La cathode en carbone doit avoir une résistance adéquate, une bonne conductivité électrique et une résistance élevée à l'usure et à la pénétration du sodium. Les cathodes anthracite ont une résistance à l'usure plus élevée et un fluage plus lent avec une amplitude inférieure [15] que les cathodes graphitiques et de coke de pétrole graphitisé. Au lieu de cela, les cathodes denses avec un ordre plus graphitique ont une conductivité électrique plus élevée, une consommation d'énergie plus faible [14] 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 en carbone ont une situation spécifique dans la fusion d'aluminium et selon le type d'anode, la fusion d'aluminium est divisée en deux technologies différentes ; Anodes « Soderberg » et « précuites ». Les anodes sont également constituées de coke de pétrole, mélangé à du brai de goudron de houille, suivi d'un formage et d'une cuisson 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 des anodes, ainsi qu'à la porosité des anodes cuites. Environ 10 % de la puissance de la cellule est consommée pour surmonter la résistance électrique de l'anode précuite (50-60 μΩm). Le carbone est consommé plus que la valeur théorique en raison d'une faible efficacité de 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 en carbone consommables précuites sont divisées en types graphité et coke. Pour la fabrication des anodes graphitées, l'anthracite et le coke de pétrole sont calcinés et classés. Ils sont ensuite mélangés avec du brai de goudron et pressés. L'anode verte pressée est ensuite cuite à 1200 °C et graphitée. Les anodes de coke sont constituées de coke de pétrole calciné, de mégots d'anodes recyclés et de brai de goudron de houille (liant). Les anodes sont fabriquées en mélangeant des agrégats avec du brai de goudron de houille pour former une pâte de consistance pâteuse. Ce matériau est le plus souvent vibro-compacté mais dans certaines usines 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 de l'air et du CO 2 . La résistance électrique spécifique des anodes de type coke est supérieure à celle des anodes graphitées, 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. Les matériaux à base de carbone de Soderberg tels que le coke et l'anthracite sont broyés, traités thermiquement et classés. Ces agrégats sont mélangés avec du brai ou de l'huile comme liant, briquetés et chargés dans la coquille. La température augmente de bas en haut de la colonne et une cuisson in situ a lieu au fur et à mesure que l'anode est abaissée dans le bain. Des quantités importantes d'hydrocarbures sont émises lors de la cuisson ce qui est 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 une efficacité énergétique légèrement meilleure est obtenue, par rapport aux anodes Soderberg.

Problèmes environnementaux des alumineries

Le procédé produit une quantité de déchets de fluorure : des perfluorocarbures et du fluorure d'hydrogène sous forme de gaz, et des fluorures de sodium et d' aluminium et de la cryolite inutilisée sous forme de particules. Cela peut être aussi petit que 0,5 kg par tonne d'aluminium dans les meilleures usines en 2007, jusqu'à 4 kg par tonne d'aluminium dans les conceptions plus anciennes en 1974. À moins d'être soigneusement contrôlés, les fluorures d'hydrogène ont tendance à être très toxiques pour la végétation autour des usines. Les gaz perfluorocarbures sont des gaz à effet de serre puissants avec une longue durée de vie.

Le procédé Soderberg qui cuit le mélange anthracite/brai lorsque l'anode est consommée, produit des émissions importantes d' hydrocarbures aromatiques polycycliques lorsque le brai est consommé dans la fonderie.

Les revêtements des pots finissent par être contaminés par des matériaux formant du cyanure ; Alcoa dispose d'un procédé de conversion des revêtements usés en fluorure d'aluminium à réutiliser et en sable synthétique utilisable pour la construction et les déchets inertes.

Consommation d'énergie

La fonte de l'aluminium est très énergivore et, dans certains pays, n'est économique que s'il existe des sources d'électricité bon marché. Dans certains pays, les fonderies bénéficient d'exemptions à la politique énergétique comme les objectifs d'énergie renouvelable .

Exemple de fonderies d'aluminium

Voir également

Les références