Anche se ci sono diversi metodi per produrre alluminio, solo uno è usato commercialmente. Il processo Deville, che comporta la reazione diretta del sodio metallico con il cloruro di alluminio, era la base della produzione di alluminio alla fine del XIX secolo, ma è stato abbandonato in favore del più economico processo elettrolitico. Un approccio carbotermico, il metodo classico per ridurre (rimuovere l’ossigeno da) gli ossidi metallici, è stato per anni oggetto di intense ricerche. Questo comporta il riscaldamento dell’ossido insieme al carbonio per produrre monossido di carbonio e alluminio. La grande attrazione della fusione carbotermica è la possibilità di bypassare la raffinazione dell’allumina e di partire da minerali di qualità inferiore rispetto alla bauxite e da carbonio di qualità inferiore rispetto al coke di petrolio. Nonostante molti anni di ricerca intensiva, tuttavia, nessun concorrente economico è stato trovato per l’approccio Bayer-Hall-Héroult.
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Anche se immutato nel principio, il processo di fusione Hall-Héroult di oggi differisce notevolmente in scala e dettagli dal processo originale. La tecnologia moderna ha prodotto miglioramenti sostanziali nelle attrezzature e nei materiali, e ha abbassato i costi finali.
In una moderna fonderia, l’allumina è dissolta in vasi di riduzione – profondi, rettangolari gusci d’acciaio rivestiti di carbonio – che sono riempiti con un elettrolita fuso che consiste principalmente in un composto di sodio, alluminio e fluoro chiamato criolite.
Per mezzo di anodi di carbonio, la corrente continua è passata attraverso l’elettrolita ad un rivestimento catodico di carbonio sul fondo della cella. Una crosta si forma sulla superficie del bagno fuso. L’allumina viene aggiunta sopra questa crosta, dove viene preriscaldata dal calore della cella (circa 950 °C) e la sua umidità adsorbita viene scacciata. Periodicamente la crosta viene rotta e l’allumina viene immessa nel bagno. Nelle celle più recenti, l’allumina è alimentata direttamente nel bagno fuso per mezzo di alimentatori automatici.
I risultati dell’elettrolisi sono la deposizione di alluminio fuso sul fondo della cella e l’evoluzione di anidride carbonica sull’anodo di carbonio. Circa 450 grammi (1 libbra) di carbonio sono consumati per ogni chilogrammo (2,2 libbre) di alluminio prodotto. Circa 2 kg di allumina sono consumati per ogni chilogrammo di alluminio prodotto.
Il processo di fusione è continuo. Ulteriore allumina viene aggiunta periodicamente al bagno per sostituire quella consumata dalla riduzione. Il calore generato dalla corrente elettrica mantiene il bagno in uno stato fuso in modo che l’allumina fresca si dissolva. Periodicamente, l’alluminio fuso viene travasato.
Perché un po’ di fluoruro dall’elettrolita di criolite viene perso nel processo, il fluoruro di alluminio viene aggiunto, se necessario, per ripristinare la composizione chimica del bagno. Un bagno con un eccesso di fluoruro di alluminio fornisce la massima efficienza.
Nella pratica attuale, lunghe file di vasi di riduzione, chiamate potlines, sono collegate elettricamente in serie. Le tensioni normali per i vasi vanno da quattro a sei volt, e i carichi di corrente vanno da 30.000 a 300.000 ampere. Da 50 a 250 pentole possono formare una singola potline con una tensione di linea totale di più di 1.000 volt. La potenza è uno degli ingredienti più costosi dell’alluminio. Dal 1900, i produttori di alluminio hanno cercato fonti di energia idroelettrica a buon mercato, ma hanno anche dovuto costruire molti impianti che usano energia da combustibili fossili. I progressi tecnologici hanno ridotto la quantità di energia elettrica necessaria per produrre un chilogrammo di alluminio. Nel 1940 questa cifra era di 19 kilowatt-ora. Nel 1990 la quantità di energia elettrica consumata per ogni chilogrammo di alluminio prodotto era diminuita a circa 13 kilowatt-ora per le celle più efficienti.
L’alluminio fuso viene travasato dalle celle in grandi crogioli. Da lì il metallo può essere versato direttamente in stampi per produrre lingotti da fonderia, può essere trasferito in forni di mantenimento per un’ulteriore raffinazione o per legare con altri metalli, o entrambi, per formare lingotti di fabbricazione. Così come esce dalla cella, l’alluminio primario è puro al 99,8% circa.
L’automazione e il controllo computerizzato hanno avuto un effetto notevole sulle operazioni di fusione. Gli impianti di riduzione più moderni usano impianti a carbone completamente meccanizzati e un controllo computerizzato per il monitoraggio e l’automazione delle operazioni della linea di produzione.