Modélisation des équilibres thermodynamiques impliquant le fer dans la cryolithe lors de l'électrolyse de l'aluminium à l'aide d'anodes inertes

Depuis la fin du 20e siècle, l'industrie de l'aluminium s'intéresse sérieusement au développement d'anodes dites inertes pour remplacer les anodes de carbone dans le procédé Hall-Héroult. La ferrite de nickel (NiFe2O4) est une candidate prometteuse pour le remplacement des anodes traditionnelles en carbone. L'usage de telles anodes peut toutefois engendrer la présence de fer et de nickel dans le bain cryolithique et donc dans l'aluminium produit. La vitesse de dissolution dans l'électrolyte de telles anodes doit être minimisée. De plus, la présence de fer dans le métal à ce stade de la production (avant la mise en alliage) n'est pas souhaitable. Il devient alors intéressant de modéliser le comportement des anodes inertes dans la cryolithe afin de comprendre les phénomènes de dissolution en cause. Le mandat du présent projet, qui s'inscrit dans le projet de «laboratoire virtuel pour l'industrie de l'aluminium» (CRSNG, Rio Tinto Alcan, Alcoa, Hydro Aluminium) est d'ajouter le fer à une base de données déjà existante sur le bain cryolithique. Le système chimique global à l'étude est NaF-AlF3-Al2O3-CaF2-FeO-Fe2O3. L'étude thermodynamique doit donc porter sur les ions suivants : Na+, Ca2+, Al3+, Fe2+, Fe3+ // F-, O2-, Va- (lacune anionique). Les cations Fe2+ et Fe3+ ont été ajoutés au modèle Na+, Ca2+, Al3+ // F-, O2-, Va- de Chartrand et Pelton [1] . Les propriétés thermodynamiques des composés purs du fer ont été évaluées. Le modèle quasichimique avec l'approximation des quadruplets a été utilisé afin de décrire le comportement du bain cryolithique liquide. Les solutions solides ont été modélisées selon le «Compound Energy Formalism» (CEF). Les paramètres du modèle pour le liquide et des modèles de solutions solides ont été optimisés à partir des données expérimentales disponibles. Les mesures expérimentales ont été critiquées et analysées et seules celles jugées fiables ont été sélectionnées. Les paramètres d'interaction du modèle du liquide ont été évalués dans les systèmes binaires Fe-F (FeF2-FeF3), NaF-FeF2, NaFFeF3, CaF2-FeF3. Les systèmes binaires FeF2-AlF3 et CaF2-FeF2 sont des estimations basées sur des analogies avec des systèmes chimiquement proches et FeF3-AlF3 est supposé idéal. Les paramètres d'interaction du modèle du liquide ont aussi été évalués pour les systèmes ternaires NaF-FeF2-AlF3 et NaF-FeF3-AlF3 (selon les mesures disponibles pour les sections Na3AlF6-FeF2 et Na3AlF6-FeF3). Les solutions solides modélisées sont : la cryolithe cubique de haute température ((Na+,Va)8(Na+)4(AlF6 3-,FeF6 3-)1(AlF6 3-(AlF4 -),FeF6 3-(FeF4 -))3), la cryolithe de basse température (Na3(Al,Fe3+)F6), la chiolite (Na5(Fe3+,Al)3F14), AlF3-FeF3 ((Al,Fe3+)F3), la weberite (Na2(Al,Fe3+)(Fe,Mg2+)F7) et CaAlF5-CaFeF5 (Ca(Al,Fe3+)F5).