Production d’aluminium primaire

Les parois frontales du four sont exposées à des températures élevées, en particulier lors du transfert de chaleur depuis les canaux de feu ainsi que durant l’ensemble du cycle de cuisson. Cette zone est soumise à de fortes contraintes thermiques et présente un risque accru de fissuration résultant des différences de température entre l’intérieur du four et l’environnement extérieur. Les matériaux utilisés dans cette zone doivent présenter une stabilité structurelle élevée, une excellente résistance aux chocs thermiques ainsi qu’une capacité limitée d’accumulation des composés du sodium et du fluor.

Les canaux de feu constituent la partie du four la plus fortement sollicitée sur le plan thermique. À l’intérieur de ces canaux circulent des gaz chauds et des flammes qui transfèrent la chaleur vers les chambres de cuisson. Cette zone est soumise à une infiltration intense de gaz réactifs issus du matériau anodique, conduisant à la formation d’une phase vitreuse de dégradation. Le revêtement réfractaire doit assurer une faible porosité, une résistance élevée à la pénétration des vapeurs de sodium et des fluorures, ainsi qu’une stabilité dimensionnelle durable dans des conditions de températures élevées et de charges thermiques variables.

Le fond du four est chargé de supporter le poids du chargement ainsi que du matériau de remplissage. Cette zone est exposée à une action thermique prolongée, au contact de composés organiques et inorganiques volatils, ainsi qu’au risque d’accumulation de condensats et d’impuretés. Les matériaux utilisés dans cette zone doivent se caractériser par une résistance élevée au fluage et de bonnes propriétés d’isolation thermique.

La couche supérieure du revêtement assure la protection thermique de la zone de cuisson et contribue à la réduction des pertes d’énergie. Elle remplit également une fonction opérationnelle dans le système de chauffage du four. En raison de la présence des brûleurs, des surchauffes locales et des chocs thermiques peuvent se produire dans cette zone. Les matériaux appliqués doivent présenter une faible dilatation thermique, une résistance aux cycles de chauffage et de refroidissement ainsi qu’une faible conductivité thermique.

Les parois de tête sont situées aux extrémités des chambres de cuisson et constituent des éléments structurels fermant l’ensemble du système. Elles sont exposées à des températures élevées, à des charges thermiques variables ainsi qu’à des contraintes mécaniques résultant de la dilatation thermique de l’ensemble de la structure. Les matériaux utilisés dans cette zone doivent assurer une résistance élevée aux chocs thermiques, une stabilité dimensionnelle ainsi qu’une durabilité lors d’un fonctionnement prolongé à haute température.

Les canaux de chauffe constituent un élément clé responsable du transfert de chaleur vers le chargement. Les matériaux utilisés dans cette zone doivent présenter une bonne résistance au fluage à haute température et aux déformations, ainsi qu’une résistance élevée aux variations de température.

Le fond du four est soumis à des charges mécaniques élevées provenant du chargement ainsi qu’à l’action de la température de procédé. En outre, des composés minéraux et des impuretés issus du matériau de remplissage peuvent s’y déposer. Le revêtement réfractaire de cette zone doit offrir une résistance élevée à la compression et à l’abrasion, tout en conservant une faible absorption, afin d’éviter toute dégradation à long terme.

Les canaux des gaz de combustion assurent l’évacuation des gaz générés lors du processus de cuisson des blocs de carbone. En raison du contact avec un mélange de gaz de combustion, des phénomènes de corrosion, de condensation de composants agressifs ainsi que des variations volumétriques du matériau réfractaire peuvent se produire. Les matériaux utilisés dans cette zone doivent présenter une résistance aux gaz de procédé agressifs, une stabilité chimique élevée ainsi qu’une bonne étanchéité, limitant la pénétration des contaminants dans la structure du four.

La couche barrière est située sous les électrodes en carbone (cathodes) et sa fonction principale est d’empêcher la pénétration du bain électrolytique dans les couches isolantes sous-jacentes. Les matériaux réfractaires utilisés dans cette zone doivent assurer une parfaite étanchéité ainsi qu’une résistance chimique au métal aluminium liquide et aux composés du sodium et du fluor. La résistance à la pénétration du bain électrolytique et du métal liquide est particulièrement critique, car leur infiltration dans les couches plus profondes peut entraîner une érosion, une perte des propriétés isolantes et, par conséquent, une réduction de la durée de vie de la cuve d’électrolyse.

La fonction principale de la couche isolante est de limiter les flux de chaleur s’échappant de la cuve d’électrolyse et de maintenir des conditions thermiques stables du procédé.

La couche de travail est en contact direct avec l’aluminium liquide et constitue la partie la plus sollicitée du revêtement de la poche. Elle est exposée à une attaque intense du métal, à un éventuel contact avec des oxydes ainsi qu’à des surchauffes locales, notamment au niveau des parois et de la zone de coulée. Un risque fréquent est la pénétration de l’aluminium liquide à l’intérieur du matériau réfractaire, entraînant un affaiblissement, des délaminations ou des fissurations. Les matériaux utilisés dans cette couche doivent présenter une résistance élevée à la corrosion métallique, un faible mouillage par l’aluminium liquide ainsi qu’une excellente résistance aux chocs thermiques. Des matériaux à faible porosité et à haute pureté chimique sont fortement recommandés.

Cette couche sépare le revêtement de travail de l’enveloppe extérieure en acier de la poche. Sa fonction principale est de minimiser les pertes thermiques pendant le transport du métal liquide. Elle joue également un rôle de couche de compensation lors des cycles thermiques, en réduisant les contraintes dans la structure du revêtement. Dans cette zone, on utilise généralement des matériaux réfractaires légers ou des panneaux isolants, qui doivent se caractériser par une faible conductivité thermique, une bonne résistance aux cycles de chauffage ainsi qu’une résistance mécanique suffisante malgré une faible masse volumique.