Bien qu’il existe plusieurs méthodes de production d’aluminium, une seule est utilisée commercialement. Le procédé Deville, qui implique une réaction directe du sodium métallique avec le chlorure d’aluminium, était la base de la production d’aluminium à la fin du 19ème siècle, mais il a été abandonné au profit du procédé électrolytique, plus économique. L’approche carbothermique, la méthode classique de réduction (élimination de l’oxygène) des oxydes métalliques, fait depuis des années l’objet d’intenses recherches. Elle consiste à chauffer l’oxyde avec du carbone pour produire du monoxyde de carbone et de l’aluminium. Le grand attrait de la fusion carbothermique est la possibilité de contourner le raffinage de l’alumine et de commencer avec des minerais de moindre qualité que la bauxite et du carbone de moindre qualité que le coke de pétrole. Cependant, malgré de nombreuses années de recherche intensive, aucun concurrent économique n’a été trouvé pour l’approche Bayer-Hall-Héroult.
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Bien que inchangé dans son principe, le procédé de fusion Hall-Héroult d’aujourd’hui diffère grandement en échelle et en détail du procédé original. La technologie moderne a permis d’améliorer considérablement l’équipement et les matériaux et de réduire les coûts finaux.
Dans une fonderie moderne, l’alumine est dissoute dans des cuves de réduction – des coquilles d’acier rectangulaires et profondes revêtues de carbone – qui sont remplies d’un électrolyte fondu constitué principalement d’un composé de sodium, d’aluminium et de fluor appelé cryolite.
Au moyen d’anodes en carbone, un courant continu passe à travers l’électrolyte jusqu’à un revêtement cathodique en carbone au fond de la cellule. Une croûte se forme à la surface du bain fondu. L’alumine est ajoutée sur cette croûte, où elle est préchauffée par la chaleur de la cellule (environ 950 °C) et l’humidité adsorbée est chassée. Périodiquement, la croûte est brisée et l’alumine est introduite dans le bain. Dans les cellules plus récentes, l’alumine est introduite directement dans le bain fondu au moyen d’alimentateurs automatisés.
Les résultats de l’électrolyse sont le dépôt d’aluminium fondu au fond de la cellule et le dégagement de dioxyde de carbone sur l’anode de carbone. Environ 450 grammes (1 livre) de carbone sont consommés pour chaque kilogramme (2,2 livres) d’aluminium produit. Environ 2 kg d’alumine sont consommés pour chaque kilogramme d’aluminium produit.
Le processus de fusion est continu. De l’alumine supplémentaire est ajoutée au bain périodiquement pour remplacer celle consommée par la réduction. La chaleur générée par le courant électrique maintient le bain à l’état fondu afin que l’alumine fraîche se dissolve. Périodiquement, l’aluminium fondu est siphonné.
Parce qu’une partie du fluorure de l’électrolyte cryolite est perdue dans le processus, du fluorure d’aluminium est ajouté, si nécessaire, pour restaurer la composition chimique du bain. Un bain avec un excès de fluorure d’aluminium offre une efficacité maximale.
Dans la pratique réelle, de longues rangées de cuves de réduction, appelées potlines, sont électriquement connectées en série. Les tensions normales pour les pots vont de quatre à six volts, et les charges de courant vont de 30 000 à 300 000 ampères. De 50 à 250 pots peuvent former une seule ligne de pot avec une tension de ligne totale de plus de 1 000 volts. L’énergie est l’un des ingrédients les plus coûteux de l’aluminium. Depuis 1900, les producteurs d’aluminium ont cherché des sources d’énergie hydroélectrique bon marché, mais ils ont également dû construire de nombreuses installations utilisant de l’énergie provenant de combustibles fossiles. Les progrès technologiques ont permis de réduire la quantité d’énergie électrique nécessaire pour produire un kilogramme d’aluminium. En 1940, ce chiffre était de 19 kilowattheures. En 1990, la quantité d’énergie électrique consommée pour chaque kilogramme d’aluminium produit avait baissé à environ 13 kilowattheures pour les cellules les plus efficaces.
L’aluminium fondu est siphonné des cellules dans de grands creusets. De là, le métal peut être versé directement dans des moules pour produire des lingots de fonderie, il peut être transféré dans des fours de maintien pour un affinage supplémentaire ou pour un alliage avec d’autres métaux, ou les deux, pour former des lingots de fabrication. Lorsqu’il sort de la cuve, l’aluminium primaire est pur à environ 99,8 %.
L’automatisation et le contrôle informatique ont eu un effet marqué sur les opérations des fonderies. Les installations de réduction les plus modernes utilisent des usines de carbone entièrement mécanisées et un contrôle informatique pour surveiller et automatiser les opérations de la ligne de cuves.