Procédé Hall-Héroult

Réaction clé

Conditions opératoires

Température

950-980°C

Pression

1bar

Catalyseur

Cryolithe Na₃AlF₆ fondue + AlF₃ + CaF₂

Phase

liquid

Schéma de fonctionnement

Comment ça marche

Composants clés

Le rôle de chaque pièce maîtresse, et les éléments / composés qu'elle met en jeu.

• Cuve d'électrolyse

  Réacteur de l'électrolyse — contient le bain de cryolithe fondu et l'aluminium liquide produit.

  Cuve rectangulaire de ~10 × 4 × 1,2 m, structure acier doublée intérieurement de blocs de carbone (cathode) puis d'une croûte d'alumine gelée qui isole. La cuve est légèrement inclinée et un siphon permet de tirer l'Al liquide accumulé au fond. Une usine moderne aligne 200-300 cuves en série, formant une ligne de pots (« potline ») alimentée par un seul redresseur géant.

  10 × 4 × 1,2 m · 200-600 kA · 4-4,5 V · 200-300 cuves en série

• Anodes en carbone

  Apportent les électrons et sont consommées par réaction avec l'oxygène libéré.

  Blocs de carbone précuit (technologie Söderberg quasi disparue) fabriqués à partir de coke de pétrole calciné + brai de houille, cuits à 1200 °C. ~1,5 × 0,7 × 0,5 m, ~1 t pièce. Une cuve compte 20-30 anodes, remplacées tous les 25-30 jours. Consommation : ~400 kg de carbone par tonne d'Al — c'est ce qui fait du procédé un émetteur de CO₂ irréductible (au moins ~1,5 t CO₂/t Al rien que par les anodes).

  Coke Pb + brai · cuit 1200 °C · ~400 kg C/t Al · changement /25-30 j

• Bain électrolytique (cryolithe + AlF₃)

  Solvant ionique fondu qui dissout l'alumine et conduit le courant entre anode et cathode.

  Mélange Na₃AlF₆ (cryolithe) + AlF₃ (excès 8-12 %) + CaF₂ (~5 %) + 2-4 % d'Al₂O₃ dissous. Cette composition abaisse le point de fusion de Al₂O₃ de 2050 °C à ~960 °C — c'est l'astuce centrale du procédé. La cryolithe naturelle (Groenland) étant épuisée, elle est synthétisée à partir de fluorine + acide fluorhydrique. Pertes de fluorure : 15-25 kg F/t Al — captés en partie par le système de traitement des fumées.

  Na₃AlF₆ + 8-12 % AlF₃ + 5 % CaF₂ · Tf ~960 °C · 2-4 % Al₂O₃

  Voir aussi :al2o3

• Alimentation en alumine

  Distribuent automatiquement l'alumine au bain pour maintenir 2-4 % de dissolution.

  Doseurs pneumatiques injectant 1-2 kg d'Al₂O₃ toutes les 1-3 minutes par cuve, contrôlés par la résistance électrique du bain (qui augmente quand l'alumine se raréfie). Si la concentration descend sous 1 %, l'« effet anodique » apparaît : forte tension, formation de PFC (CF₄, C₂F₆) — gaz à effet de serre 6500-9200× plus puissants que le CO₂. La régulation fine est donc cruciale climatiquement.

  1-2 kg/min · contrôle par résistance · seuil 1 % critique (PFC)

  Voir aussi :al2o3

• Siphon de coulée

  Extrait l'aluminium liquide accumulé au fond de la cuve sans interrompre l'électrolyse.

  Tube en acier réfractaire descendu par le haut de la cuve, mis en dépression par une cloche aspirante. Tirage de 1-2 t d'Al à 950 °C en 5-15 min, ~24 fois/jour. L'Al ainsi tiré contient encore 0,1-0,3 % d'impuretés (Fe, Si) et est ensuite affiné en holding furnace avant coulée en lingots, billettes ou plaques.

  1-2 t/cuve/coulée · ~24×/jour · 0,1-0,3 % impuretés résiduelles

Principes physico-chimiques

Les lois fondamentales qui rendent ce procédé possible — et les contraintes qu'elles imposent.

• Décomposition électrochimique

  Le potentiel théorique de décomposition de Al₂O₃ est 1,18 V à 977 °C. La tension réelle (4-4,5 V) inclut surtensions anodique et cathodique, chute ohmique dans le bain et résistance des connexions. C'est dans cette différence que se loge l'inefficacité énergétique — d'où l'effort permanent sur la géométrie et la qualité de la cryolithe.

  E°(977 °C) = 1,18 V ; U_industrielle = 4-4,5 V

• Stabilité thermique du bain

  L'effet Joule (R·I²) du courant dans le bain produit la chaleur qui maintient la fusion. La cuve fonctionne en équilibre thermique précaire : trop chaude, le revêtement carbone s'érode ; trop froide, l'alumine ne se dissout plus et l'effet anodique apparaît. Une « croûte » d'alumine gelée sur les parois sert d'isolant thermique tampon.

  S'applique aux composants :cuve-electrolysebain-cryolithe

Composés impliqués

Décarbonation de l'aluminium

• Anodes inertes (Elysis, RUSAL) — démonstrateurs 450 kA
• Hall-Héroult bas-carbone (Islande, Norvège, Québec)
• Cellules de très grande taille (600+ kA, AP60)
• Boucle de recyclage post-consumer (97 % de récupération sur les canettes)

Procédés similaires ou concurrents

Procédés industriels apparentés — autre voie chimique, autre filière technologique.

• bayer

  Procédé amont — fournit l'alumine pure que Hall-Héroult électrolyse.

Histoire et découverte