فرآیند هال-هرولت، که در سال 1886 توسط چارلز هال و پل هرولت توسعه یافت، روش اصلی تولید آلومینیوم در جهان است و بیش از 95% تولید جهانی را پوشش می‌دهد. این فرآیند شامل الکترولیز آلومینا در یک حمام مذاب کریولیت (Na₃AlF₆) است که آلومینیوم خالص را تولید می‌کند. مراحل اصلی عبارت‌اند از:
آماده‌سازی مواد اولیه:
آلومینا: آلومینای خالص (99.5%+) از فرآیند بایر تأمین می‌شود.
کریولیت: به عنوان حلال برای کاهش دمای ذوب آلومینا (از 2000°C به حدود 950°C) استفاده می‌شود.
افزودنی‌ها: فلوریدهای کلسیم و آلومینیوم برای بهبود هدایت الکتریکی اضافه می‌شوند.
سلول الکترولیز:
ساختار سلول: شامل یک کاتد کربنی (کف سلول) و آندهای کربنی (معمولاً از پترولیوم کک) است که در یک ظرف فولادی با پوشش کربنی قرار دارند.
حمام مذاب: آلومینا (2-5%) در کریولیت مذاب حل می‌شود.
جریان الکتریکی: جریان مستقیم (DC) با شدت 100-300 کیلوآمپر از آند به کاتد اعمال می‌شود.
واکنش‌های شیمیایی:
در آند: اکسیژن آلومینا با کربن آند واکنش داده و دی‌اکسید کربن (CO₂) تولید می‌کند:
$$2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂$$
در کاتد: آلومینیوم مایع در کف سلول جمع می‌شود (چگالی بالاتر از کریولیت).
جمع‌آوری آلومینیوم:
آلومینیوم مایع (99.7% خالص) هر 24-48 ساعت از کف سلول سیفون می‌شود.
این فلز به کوره‌های نگهدارنده منتقل شده و برای ریخته‌گری شمش یا بیلت آماده می‌شود.
ریخته‌گری و آماده‌سازی برای اکستروژن:
آلومینیوم مایع به شمش یا بیلت تبدیل می‌شود که برای فرآیندهای بعدی مانند اکستروژن (توسط Bonnell Aluminum) استفاده می‌شود.
مصرف انرژی و کارایی
مصرف برق: هر تن آلومینیوم 13-15 مگاوات‌ساعت برق مصرف می‌کند، که حدود 3% مصرف برق جهانی را شامل می‌شود.
منابع انرژی: کشورهای تولیدکننده عمده مانند چین (56% تولید جهانی) از زغال‌سنگ، و کشورهایی مانند کانادا و نروژ از برق آبی استفاده می‌کنند.
بهینه‌سازی: فناوری‌های جدید مانند آندهای بی‌اثر (Inert Anodes) می‌توانند CO₂ را با اکسیژن جایگزین کنند و ردپای کربن را کاهش دهند.
ارتباط با Bonnell Aluminum
Bonnell Aluminum، بخشی از Tredegar Corporation، از آلومینیوم تولیدشده در فرآیند هال-هرولت برای تولید اکستروژن‌های سفارشی استفاده می‌کند. در کارخانه‌های آن‌ها (مانند نیوان، جورجیا)، بیلت‌های آلومینیوم در کوره‌های پیش‌گرم ذوب شده و به پروفیل‌های پیچیده برای صنایع ساختمانی، خودروسازی و معماری تبدیل می‌شوند. کیفیت آلومینیوم اولیه (تأمین‌شده از شرکت‌هایی مانند Alcoa) برای دستیابی به استانداردهای بالای محصولات Bonnell، مانند پروفیل‌های T-slotted و قطعات آنودایزشده، حیاتی است.
چالش‌ها و پایداری
مصرف انرژی بالا: فرآیند هال-هرولت حدود 40% هزینه‌های تولید را به خود اختصاص می‌دهد.
انتشارات کربنی: هر تن آلومینیوم 10-12 تن CO₂ تولید می‌کند (عمدتاً از آندهای کربنی).
مدیریت ضایعات: کریولیت مصرف‌شده و آندهای سوخته نیاز به بازیافت یا دفع ایمن دارند.
نوآوری‌ها: شرکت‌هایی مانند Alcoa و Rio Tinto در حال توسعه فناوری ELYSIS (آند بی‌اثر) هستند که تا سال 2030 می‌تواند تولید بدون کربن را محقق کند.