ALUMINIUM

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Raffinage de l'aluminium

L'aluminium produit par les cuves d'électrolyse titre de 99,4 à 99,8 p. 100 d'aluminium. On peut purifier cet « aluminium ordinaire » par raffinage électrolytique.

Historique

Hoopes (1901) a la première idée du raffinage par électrolyse ignée ; Betts (1905) pose le principe du raffinage électrolytique à trois couches. Hoopes, Frary et Edwards (1922) réalisent une cuve à raffinage à fond anodique en charbon ; les parois latérales sont en électrolyte, solidifié par une ceinture en tôle à circulation d'eau ; la couche inférieure est constituée par un alliage anodique aluminium-cuivre ; au-dessus est un bain de cryolithe avec 40 p. 100 de fluorure de baryum contenant 2 à 3 p. 100 d'alumine en solution, sur lequel flotte l'aluminium raffiné ; la température de marche est voisine de 1 000 0C. Le procédé n'a jamais atteint l'échelle industrielle.

C'est en 1932 que Gadeau met au point le procédé industriel de raffinage, en adoptant un bain chloro-fluoré, qui permet une marche à 750 0C et admet des cuves à parois latérales isolantes en briques de magnésie, qui seraient attaquées par la cryolithe à 1 000 0C, mais ne le sont pas à 750 0C par un bain à 60 p. 100 de chlorures.

Ce procédé à permis la production industrielle d'aluminium raffiné, titrant plus de 99,99 p. 100 d'Al. Le métal le plus pur obtenu titre 99,999 p. 100.

Dans le procédé Pechiney de raffinage électrolytique de l'aluminium, les trois couches sont constituées de la façon suivante :

Cuve Pechiney pour le raffinage électrolytique

Dessin : Cuve Pechiney pour le raffinage électrolytique

Cuve Pechiney pour le raffinage électrolytique de l'aluminium avec puits de ségrégation. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– L'alliage anodique est l'eutectique aluminium-cuivre fondant à 548 0C, de densité 3 à 750 0C.

– L'électrolyte contient 23 p. 100 de fluorure d'aluminium, 17 p. 100 de fluorure de sodium et 60 p. 100 de chlorure de baryum (point de fusion 720 0C, densité 2,72 à 750 0C).

– L'aluminium raffiné cathodique de densité 2,3 flotte sur l'électrolyte. Le courant est amené par des blocs de graphite pur.

La théorie du raffinage est la suivante : il y a électrolyse primaire du chlorure d'aluminium. L'aluminium s'ajoute à la couche cathodique ; le chlore se décharge sur l'alliage anodique où il attaque l'aluminium, reformant le chlorure d'aluminium.

Le principe du raffinage veut que l'aluminium seul passe de l'anode à la cathode ; pourvu qu'il y en ait assez dans l'alliage anodique (30 p. 100 au moins) et que cet alliage soit assez fluide pour que la diffusion des ions y soit facile, les métaux plus nobles que l'aluminium (cuivre, fer, gallium, etc.) restent inattaqués dans l'alliage anodique ; si cet alliage contenait des métaux moins nobles que l'aluminium (magnésium ou calcium), ceux-ci seraient chlorurés en priorité par le chlore anodique, mais leurs chlorures resteraient dans le bain, ne pouvant s'électrolyser tant que ce dernier contient assez de chlorure d'aluminium.

Mise en œuvre des cuves à raffinage

Les cuves, de 18 000 ampères, fonctionnent à 6 volts, dont la majeure partie correspond à la chute de tension dans les 9 centimètres de bain. L'alimentation en aluminium ordinaire se fait par le puits de ségrégation, tous les 2 ou 3 jours. Le métal raffiné est protégé de l'oxydation par une croûte de bain, qui s'est solidifiée après être remontée par capillarité. Tous les 2 ou 3 jours, on brise cette croûte et l'on fait manuellement la coulée d'une partie de l'aluminium raffiné avec des louches en graphite pur. On laisse en surface une couche cathodique de 10 centimètres.

Des additions périodiques permettront de maintenir la composition et le niveau de l'électrolyte. L'alliage anodique s'enrichit des impuretés de l'aluminium ordinaire traité. La présence de silicium est sans inconvénient car il n'élève pas le point de fusion de l'alliage ; seul le fer est très gênant, donnant des composés solides qui réduisent la diffusion de l'aluminium dans l'alliage anodique. Le puits de ségrégation est construit pour que le métal y soit de 30 à 40 0C plus froid que dans la cuve ; il permet de faire cristalliser, sur les parois du puits, une phase solide concentrée en fer, que l'on retire périodiquement à la pelle à grille.

Consommations et rendements

Le rendement Faraday est de 100 p. 100 à l'anode et de 98,8 p. 100 à la cathode. Pour 1 tonne d'aluminium raffiné, on consomme en moyenne 1 085 kg d'aluminium, 5 kg de cuivre, 12 kg de graphite et 90 kg de bain ; il faut 18 000 kWh et 16,5 heures de main-d'œuvre de fabrication.

Aluminium ultra-p [...]

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Aluminium primaire : production mondiale

Aluminium primaire : production mondiale
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Aluminium : production en 2005

Aluminium : production en 2005
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Aluminium primaire : pays producteurs

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Friedrich Wöhler

Friedrich Wöhler
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Écrit par :

  • : ingénieur de l'Institut électrotechnique de Grenoble, directeur honoraire de la compagnie Pechiney
  • : ingénieur à l'École centrale de Lyon, chef de service à Cégédur Péchiney

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Pour citer l’article

Robert GADEAU, Robert GUILLOT, « ALUMINIUM », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/aluminium/