ALUMINIUM

La cuve

La cuve est représentée par le schéma de la figure 2.

Le caisson en acier contient un creuset en blocs de carbone cuits, à base d'anthracite, liés entre eux par de la pâte à brasque (mélange d'anthracite et de coke métallurgique lié par un brai gras) ; cette pâte cuit au démarrage de la cuve. Le courant est amené par des barres cathodiques en fer, scellées à la fonte dans des rainures pratiquées à la base des blocs cathodiques.

Les côtés de la cuve sont garnis de dalles de carbone de 120 millimètres d'épaisseur, qui brûlent partiellement en service et se trouvent remplacées par un magma de bain figé et d'alumine.

On distingue deux types de cuves : à anodes précuites (fig. 2) et à anode continue Söderberg (fig. 3).

Les anodes précuites sont des blocs cuits constitués de carbone très pur (coke de pétrole ou coke de brai). Pour maintenir la densité de courant inférieure à 1 A/cm², dans une cuve à 50 000 ampères, on utilise en France 18 anodes de 350 × 650 millimètres, tenues par deux barres collectrices (cadre) en aluminium reliées à la cathode de la cuve précédente de la série. Aux États-Unis, on utilise un plus grand nombre d'anodes plus petites.

Le procédé Söderberg, appliqué dès 1926 à l'aluminium, consiste à charger de la pâte crue de coke de pétrole ou de coke de brai à 30 p. 100 de brai sec directement dans une gaine de tôle de fer qui enserre l'anode unique de la cuve ; la chaleur du bain cuit cette pâte, à mesure que l'on descend l'anode pour compenser son usure. Des goujons verticaux en acier assurent à la fois l'arrivée du courant anodique et le soutien mécanique de l'anode, deux jeux de vérins permettant son réglage en hauteur et la modification de la position de la gaine. Les goujons sont relevés individuellement lorsque l'usure de l'anode a amené leur pointe trop près du bain.

L'électrolyse

La cryolithe (AlF₃, 3 NaF) est un composé stable, fondant à 1 000 ⁰C ; l'alumine s'y dissout jusqu'à l'eutectique à 18,5 p. 100 ; en pratique, on ne dépasse pas la teneur de 8 p. 100, pour éviter des risques d'empâtement du bain.

On ajoute à la cryolithe 7 p. 100 de fluorure d'aluminium ; ce bain, dit « acide », a un point de fusion un peu plus bas et surtout cette addition s'oppose à la dissolution de l'aluminium dans le bain. On ajoute encore parfois un peu de fluorure de calcium qui abaisse la température de solidification.

Un bain moyen (83 p. 100 de cryolithe, 7 p. 100 d'AlF₃, 5 p. 100 de CaF₂, 5 p. 100 d'Al₂O₃) se solidifie à 960 ⁰C  ; il est nécessaire de contrôler fréquemment sa composition pour pouvoir effectuer les corrections indispensables en fluorure (ou carbonate) de sodium ou en fluorure d'aluminium.

De nombreuses théories d'électrolyse ont été proposées ; une des plus vraisemblables est celle qui envisage la décomposition de la cryolithe avec formation primaire de sodium à la cathode. Une théorie simplifiée ne fait pas intervenir la cryolithe dans l'électrolyse, celle-ci ne servant donc que de solvant, l'électrolyse n'étant que celle de l'alumine dissoute suivant la réaction de dissociation :

Brûlure des cuves

Le bain contenant 8 p. 100 d'alumine à l'origine, l'électrolyse se poursuit normalement, sous une tension de 4,1 V par cuve, jusqu'à ce qu'il ne reste plus que 1,5 p. 100 d'alumine environ. À ce moment, il n'y a plus assez d'ions O^2— pour alimenter l'électrolyse, qui se fait aux dépens du fluorure de sodium avec décharge d'ions F^— à l'anode. Cela crée une polarisation qui fait monter brusquement la tension à 40 volts ; on dit que la cuve « brûle ». On « déballe » la cuve en piquant, pour la faire se dissoudre, l'alumine placée sur le bain après la brûlure précédente. De 3 à 5 par 24 heures il y a quelques années, les brûlures ont été réduites à 1 ou 2 aujourd'hui et les cuves modernes pilotées par ordinateurs ne brûlent pratiquement jamais.

Indépendamment de la théorie admise pour l'électrolyse, la réaction globale est la suivante :

À cette réaction correspond une tension théorique minimale d'électrolyse, à densité de courant nulle, d'environ 1,05 V.

La tension réelle minimale d'électrolyse est d'environ 1,8 V, par intervention d'une sous-dépolarisation de 0,8 V. Il faut ajouter la chute de tension par effet Joule dans le bain et les diverses chutes de tension dans les conducteurs, les blocs de fond et les anodes. On observe en moyenne : 4,1 V de tension de marche, cuve déballée, 4,25 V de tension moyenne aux barres d'une cuve, et 4,4 V de tension moyenne globale pour la série. Dans les cuves modernes, on cherche par tous les moyens à abaisser cette tension, en jouant sur la distance interpolaire anode/métal, sur le dimensionnement et le positionnement des conducteurs, etc.

Conduite des cuves

La mécanisation a réduit considérablement la main-d'œuvre nécessaire à la fabrication de l'aluminium ; dans une usine moderne, il faut moins de 2 heures de main-d'œuvre par tonne d'aluminium produite, en comptant la fabrication, l'entretien et la réfection des cuves alors que ce chiffre était de 15 heures en 1960 et de 200 heures en 1927 : on compte, en plus, 1 h 30 par tonne pour la fonderie et la coulée en lingots.

Le « cuviste » ne surveille plus maintenant que les indications de l'ordinateur pour, éventuellement et très rarement, pallier des incidents. Le « chargeur d'alumine », au lieu de recouvrir le bain de la quantité d'alumine nécessaire au déballage suivant, se contente maintenant d'approvisionner le silo central en alumine dont l'utilisation sera ultérieurement conduite par l'ordinateur. Le « couleur » évacue l'aluminium produit, généralement chaque jour, par siphonnage à dépression. Il emploie un siphon en fonte, relié à une poche étanche où l'on fait un vide partiel, pour assurer l'aspiration.

Usure des cuves

La durée moyenne de vie du garnissage d'une cuve, dit « brasquage », est de cinq ans. L'imprégnation du fond par de la cryolithe et une quantité notable de sodium métallique exige, au début, des corrections de bain au fluorure de sodium ; la cuve saturée demande ensuite des additions de cryolithe ; au bout de quelques années de marche, la cuve rend du sodium et les corrections de bain se font avec de la cryolithe (AlF₃, 1,5 NaF), puis avec du fluorure d'aluminium.

Consommation et rendement

Pour fabriquer 1 tonne d'aluminium, on consomme en moyenne : 1 890 kg d'alumine, 400 kg d'anodes précuites, ou 500 kg de pâte Söderberg, 30 kg de fluor, sous forme de produits fluorés divers, dont 98 p. 100 sont récupérés et recyclés, et environ 13 000 kWh en basse tension.

On considère généralement le rendement Faraday, rapport de l'aluminium réellement produit à l'aluminium théoriquement prévu par la réaction. Il est, selon les cuves, toujours supérieur à 85 p. 100, et peut atteindre 90 p. 100. Le rendement en énergie est mal défini ; en pratique, on caractérise mieux les cuves par leur consommation d'énergie.

L'usine d'aluminium

Dans les usines d'aluminium, il existe deux installations annexes très importantes : la centrale électrique et l'atelier d'électrodes.

L'électrolyse pose des sujétions particulières pour disposer de courant continu à forte intensité, l'existence de l'effet anodique créant des problèmes de régulation. À l'origine, on utilisait des centrales turbines-dynamos, qui avaient le gros avantage de permettre le réglage à intensité constante (qui rend chaque cuve indépendante électriquement de ses voisines) et des centrales alternateurs-dynamos. On est passé ensuite aux redresseurs à vapeurs de mercure ; actuellement, on utilise uniquement des redresseurs secs, au germanium et surtout au silicium. Ces derniers, alimentés par un auto-transformateur de réglage, sont généralement limités à 700 V, tant pour la sécurité du personnel dans les séries que pour la sécurité du fonctionnement. Le réglage ne peut se faire qu'à tension constante, les cuves subissant une baisse d'intensité lorsque d'autres cuves de la série brûlent.

Il faut noter, de la centrale aux cuves, l'énormité des conducteurs en aluminium : 20 tonnes par cuve à 100 000 ampères. Ces conducteurs doivent être disposés de façon à réduire les effets magnétiques, c'est-à-dire les forces de Laplace engendrées par l'action du champ magnétique sur les courants dans le bain et le métal liquide. Ces forces provoquent une dénivellation du plan cathodique d'aluminium et surtout une agitation permanente du métal, néfaste parce qu'elle favorise sa dissolution dans le bain et abaisse ainsi le rendement du courant.

Pour fabriquer les anodes, on utilise du coke de pétrole ou de brai pour éviter de souiller l'aluminium par les impuretés du charbon.

Le coke de pétrole est d'abord séché, puis calciné à 1 400 ⁰C (on dit « dégazé »), ce qui provoque une modification physique des grains de coke, qui évitera toute contraction lors de la cuisson ultérieure à 1 200 ⁰C. Le coke est ensuite broyé, classé par tamisage et malaxé avec 15 p. 100 de brai sec, à une température de 150 ⁰C environ.

Les anodes sont ensuite pressées en forme, à 100 MPa, à la presse hydraulique. La cuisson à 1 200 ⁰C se fait dans des fours à chambres, en un cycle de trois semaines comportant : réchauffage, plein feu, refroidissement avec réchauffage de l'air de combustion et bien sûr atmosphère appauvrie en oxygène.

Pour la pâte Söderberg, le coke de pétrole séché, mais non calciné, est malaxé avec 30 p. 100 de brai sec et mis en plaquettes directement chargées sur les anodes continues. La fabrication de cette pâte peut être entièrement mécanisée.

Les cuves à 4,4 V moyens doivent être placées en série, la cathode de l'une reliée à l'anode de la suivante, de façon à absorber la tension de la centrale. Comme matériel annexe des séries, citons les grues vélocipédiques qui servent au piquage et au chargement en alumine, la machine arrache-goujons, la poche de coulée ; la poche de transport, plus grande, reçoit le métal liquide transvasé, pour son transport à la fonderie ; les semi-remorques-trémies assurent l'alimentation en produits fluorés et en pâte Söderberg et surtout maintenant, dans les cuves modernes, le pilotage par ordinateur, qui mesure pratiquement en permanence un certain nombre de données de fonctionnement de la cuve et commande les conditions de fonctionnement, par exemple le réglage de la distance interpolaire, l'introduction d'alumine, etc.

Dans les installations modernes, on capte les gaz sortant des cuves, car les produits fluorés et les goudrons sont nocifs et l'efficacité de récupération est très voisine de 100 p. 100. Le fluor est récupéré par filtration sur des filtres à poches, garnis d'alumine ; malgré un temps de contact très court – de une à trois secondes, car le débit des fumées est important – le rendement d'adsorption du fluor est supérieur à 99 p. 100.

Dans les cuves Söderberg, une jupe, située en bas de la gaine, recueille tous les gaz sortant de la cuve. Dans les deux brûleurs de chaque cuve, on brûle la majeure partie de l'oxyde de carbone et les goudrons ; un collecteur conduit les gaz à un filtre de dépoussiérage électrostatique, puis à des tours de lavage : on pulvérise de l'eau dans les premières et une solution de carbonate de soude dans la dernière. En toiture, l'air est pris par des ventilateurs et lavé par de l'eau contenant du carbonate de soude. Le mélange des solutions acides des premières tours et des solutions basiques des autres fait précipiter de la cryolithe, que l'on décante et que l'on grille pour brûler ce qui reste de goudrons. On arrive ainsi à arrêter, en moyenne, 93 p. 100 du fluor et 82 p. 100 des poussières et goudrons.

Procédés de raffinage thermique

Le principe du procédé de raffinage thermique est fondé sur la réaction de dismutation :

Un autre procédé envisagé est la dissolution dans des métaux auxiliaires. L'alliage aluminium-fer-silicium, obtenu au four électrique, est extrait par un métal fondu qui peut dissoudre l'aluminium sans dissoudre les impuretés ; on purifie en refroidissant presque au point de solidification, ce qui fait cristalliser les composés d'impuretés, que l'on décante et filtre ; on distille ensuite le métal auxiliaire, qui est recyclé : il reste l'aluminium pur.

Frederick Löwenstein a utilisé le zinc comme métal auxiliaire ; l'I.G. Farbenindustrie le magnésium ; plusieurs installations pilotes ont enfin employé le mercure.

Procédés de réduction thermique

Procédé au carbure. La réduction par le carbone :

Cette méthode consomme malheureusement autant d'énergie électrique que l'électrolyse, mais les investissements sont deux fois moindres.

Dans le procédé au nitrure, pratiquement abandonné depuis 1930, on porte un mélange d'alumine et de carbone vers 1 750 ⁰C dans un courant d'azote, ce qui donne le nitrure NAl solide ; ce dernier est ensuite dissocié à 1 800 ⁰C sous vide ; l'aluminium se condense dans la partie froide de l'appareil.