Procédé de préparation de l'aluminium. La présente invention se rapporte à un procédé clé préparation d'aluminiiun métal lique d'un degré de pureté élevé, permettant d'utiliser tout minéral naturel suffisamment riche en alumine comme, par exemple, la bauxite, le feldspath, l'argile ordinaire, l'a lumine et la wavel.litte.
Tous les minerais naturels d'aluminium contiennent, en quantité appréciable. clés im puretés telles, par exemple, due du fer, du titane et du silicium et, jusqu'à présent, ils ont été soigneusement, purifiés à l'aide de moyens chimiques coûteux avant d'être prêts à subir les traitements actuellement connus pour l'extraction de l'aluminium. Dans le procédé selon la présente invention, il est pos sible d'obtenir de l'aluminium pur sans qu'il soit nécessaire de recourir préalablement, pour éliminer les impuretés, à aucun des traitements chimiques du genre de ceux qui ont été visés plus haut.
Suivant ce procédé, on extrait, par voie électrolytique, l'aluminium d'un alliage mé tallique à l'état fondu, lequel alliage est. ob- tenu en fondant une masse riche en alumine et d'une faible teneur en fer, en présence d'un réducteur et .d'un métal à point d'ébullition plus élevé que celui clé l'aluminium, et ca pable de former un alliage se prêtant à l'o pération subséquente -d'extraction électroly tique.
Le dessin annexé, donné à. titre d'exem ple, montre en fig. 1, un schéma donnant sous forme de diaphragme une explication des phases d'un exemple de mise en . oeuvre du procédé, les autres figures se rapportant à des appareils pouvant être utilisés pour la dite mise en aeuvre; La fig. 2 représente schématiquement en coupe longitudinale un four électrique sim ple adéquat à l'exécution de la. première et de la seconde phases du procédé;
La fig. 3 représente schématiquement en coupe transversale une cuve adéquate à l'ex traction par électrolyse de l'aluminium con tenu dans l'alliage obtenu dans les phases an térieures<B>du</B> procédé; \ ' La fig. 4 représente schématiquement en coupe un appareil adéquat à la. réalisation de la phase :du procédé dans laquelle un résidu de cuivre provenant de la cuve d'électrolyte est régénéré pour être employé de nouveau.
Comme on le voit sur la. fi-. 1, la pre mière phase de cet exemple d'exécution du procédé comporte la fusion du minerai, qui contient de l'alumine et de la silice et des oxydes de fer et de titane, de façon à, pro duire un alliage fer-silicium et une scorie d'une teneur élevée en aluminium contenant de l'alumine et de la, silice, mais seulement des quantités faibles -de fer et de titane.
L'alliage fer-silicium et la scorie peuvent être retirés séparément, le premier pour ser vir à fabriquer de l'acier ou pour tel autre usage, la seconde pour être soumise à la deuxième phase du traitement, phase dans laquelle cette scorie est fondue (avec ou sans addition de silice) en présence de cuivre et d'un réducteur, de façon à obtenir un alliage aluminium-cuivre-silicium contenant peu de fer et de titane.
Les parties de scorie non réduites ainsi que l'écume produite pendant cette phase peuvent être remises dans le four pour être soumises -de nouveau au même traitement, tandis que l'alliage aluminium-cuivre-silicium est retiré et est soumis (après, si cela. est ,lugé nécessaire ou désirable, une purification pré paratoire constituant, par exemple, une phase 2a) au traitement électrolytique qui constitue la. phase 3 du procédé, phase dans laquelle l'aluminium est extrait.
Le résidu restant à la fin de la phase 3, résidu constitué par un alliage contenant le cuivre utilisé et la. partie des autres éléments que l'on a. empêchés de se déposer en même temps que l'aluminium, est retiré et peut être soumis au traitement qui constitue la phase .1 du procédé et qui a, pour objet d'éliminer une quantité suffisante desdits autres élé ments pour remettre le cuivre en état d'être de nouveau utilisé dans l'opération qui cons titue la phase 2 du procédé.
De cette façon, le cuivre peut être réuti lisé, remplissant à travers les étapes 2, 3 et 4 du procédé la. fonction cyclique d'agent transporteur de l'aluminium.
Lorsque les impuretés contenues dans l'alliage qui constitue le résidu restant à la fin de la phase 3 ne sont pas trop impor tantes, cet alliage peut directement être réu tilisé, sans purification préalable, pour l'o pération qui constitue la. phase 2.
On va maintenant. décrire en détail le procédé qui vient d'être ainsi esquissé, étant bien entendu cependant que plusieurs des dé tails indiqués, quoique particulièrement avan tageux et, dan: certains cas, assez important. ne sont pas essentiels dans tous les cas.
Les opérations qui font: l'objet des phases clans lesquelles, d'une part, on élimine du minerai initial d'aluminium le fer et. le titane contenus dans ce minerai et, d'autre part, on provoque la formation de l'alliage aluminium cuivre-silicium. peuvent être conduites suc cessivement ou simultanément dans<I>clos</I> fours électriques séparé.
Pour ces deux phases, les fours du type représenté sur la fil. 2 sont. convenables et avantageux.
Sur cette fi,glire, 10 désigne un cylindre d'acier à axe vertical ouvert à sa. partie su périeure, contenant un lit en carbone 11 et dont les parois sont intérieurement recou vertes d'un revêtement réfractaire 12 en bri ques réfractaireou briques de bauxite on autre matière convenable.
La, surface supérieure du lit d(, carbone est inclinée ver: un orifice de coulée 13 qui permet, selon le cas, de retirer l'alliage fer- silicium ou l'alliage aluminium-euivre-sili- cium. '[Tu orifice de coulée 1.4 situé à. un ni veau plus élevé permet de retirer la<B>,</B> scorie indépendamment de l'alliage qui se trouve au-dessous d'elle. Chacun de ces orifices peut.
être fermé de toute manière convenable, par exemple un tampon de bois de sapin peut être enfoncé dans chacun desdits orifices ainsi que cela est représenté en 15.
Sous l'action de la. chaleur, ce tampon s'enflamme immédiatement et est. transformé au bout de quelques minutes en charbon de bois, mais il dure assez longtemps pour arrê= ter le flot de métal ou de scorie et pour per mettre que ceux-ci se solidifient en arrière dudit tampon.
Le bec 16, de préférence très incliné afin d'éviter l'obstruction pouvant résulter d'une solidification due à un refroidissement trop rapide de la scorie ou de métal, peut être re vêtu d'un mélange de carbonate de magné sium et d'argile réfractaire humidifié avec une solution de silicate alcalin.
Des conducteurs de courant sont noyés dans le lit. de carbone 11 qui constitue l'é lectrode inférieure en vue de la mise en com munication de cette dernière avec l'un des pôles d'une source de courant alternatif re présentée en l'espèce par le transforma teur 17.
De préférence, ces conducteurs de courant sont constitués par des tubes d'acier ainsi due cela. est représenté en 18, tubes à travers lesquels on peut faire passer clé l'eau dans un but de refroidissement.
L'électrode supérieure est constituée par un cylindre de carbone 19 qui est anis en com munication avec l'autre pôle du circuit se condaire du transformateur 17.
Quoiqu'on n'en ait représenté aucun sur les figures, -on peut utiliser tout dispositif convenable pour élever ou abaisser cette élec trode et la maintenir dans la position voulue.
L'énergie électrique mise en jeu peut être réglée de toute façon convenable et par exem ple en faisant varier le nombre des enroule ments utilisés -clans le transformateur (de préférence les enroulements du primaire) au moyen d'un contact mobile 20, ainsi que cela est indiqué sur la figure.
Le four peut être refroidi si cela, est né cessaire ou désirable au moyen d'eau déver sée contre l'enveloppe extérieure par une tuyauterie circulaire 21 placée à la partie su périeure de cette enveloppe et communiquant avec, un dispositif d'alimentation non repré senté. L'eau qui coule le long de l'enveloppe peut être recueillie dans une auge 22 et éva cuée au moyen .d'un tuyau d'écoulement. 23. Afin d'écarter l'eau clés différents ori fices, on peut munir ces derniers d'un auvent convenable tel que 24.
Lorsqu'on utilise le four pour obtenir de l'alliage fer-silicium et la scorie alumineuse., il se forme un revêtement tel que celui indi qué à, titre d'exemple en 25, revêtement qui est composé, et cela plus spécialement dans la partie inférieure du fôur, des matières de charge et de scorie solidifiée.
Sur la fig. 3, on a représenté une cuve électrolytique adéquate à l'extraction de l'a luminium de l'alliage aluminium-cuivre-sili- cium obtenu dans la seconde phase du pro cédé.
Sur cette figure, on a représenté une coque métallique ouverte à sa partie supé rieure, composée de deux éléments 30 et 31 séparés l'un de l'autre par un diélectrique.
L'élément inférieur contient un lit de car bone 32 constituant l'électrode inférieure, électrode positive, et reposant sur une couche 33 d'une substance réfractaire et calorifuge convenable.
La partie supérieure du lit de carbone est, ainsi que cela est représenté, creusée en forme de cuvette. _ Au-dessus des bords de ladite cavité, re couvrant le joint qui sépare les deux éléments de la coque, s'étend un revêtement. latéral 34 constitué par une substance réfractaire ayant de bonnes qualités calorifuges et diélectri ques.
De préférence, ce revêtement est obtenu en faisant solidifier contre la paroi latérale de la coque un mélange fondu contenant des fluorures d'aluminium, de sodium et de baryum et une quantité suffisante d'alumine pour saturer le mélange de telle façon que, dans la croûte, l'alumine se solidifie à part sous une forme cristalline analogue au co rindon.
Un revêtement de cette nature a un point de fusion relativement élevé et, par consé quent, restera solide pendant le fonctionne ment de la cuve à moins que, dans celle-ci, la température ne s'élève d'une façon anor- m'ale. Afin de maintenir ladite croîite à l'état solide et, par suite, de lui conserver les quali tés de diélectrique voulues, la. cuve est munie extérieurement de waterjackets 35-30y mis en communication l'un avec l'autre par un tuyau de caoutchouc 37.
L'eau destinée au refroidissement est ame née au waterjacket inférieur au moyen d'un tuyau de caoutchouc 38 et évacuée du wa.ter- ja:eket supérieur au moyen d'un tuyau de caoutchouc 39.
Dans le bord de l'élément supérieur de la. coque est pratiquée une brèche de coulée 40 destinée à. permettre de recueillir l'aluminium affiné.
Cette brèche ou ouverture est normale ment fermée au moyen de toute substance réfractaire convenable, comme, par exemple, la substance du bain électrolytique, qui ne soit pas susceptible (le souiller le métal avec lequel elle vient en contact.
On a représenté trois électrodes supé rieures 41, mais il est bien entendu due le nombre de ces électrodes peut être quelcon que.
Ces électrodes sont reliées au pôle négatif d'une source de courant continu représentée conventionnellement en 4? par l'intermédiaire de barres collectrices transversales 41a aux quelles les tiges de cuivre 41h. fixées sur les électrodes, sont attachées de n'importe quelle manière convenable. mais de préférence de façon que chaque électrode séparément puisse être élevée ou abaissée.
Le lit de carbone 32 est relié à la barre collectrice inférieure 32a. qui entoure la. cuve, par une série de conducteurs constitués par clos plaques d'acier distributrices. noyées dans cette électrode, disposées circulairement, d'une façon symétrique et à égale distance les unes des autres, à l'intérieur de l'électrode et sou dées à la. coque à laquelle la barre collectrice 32a est elle-même reliée de façon convenable. Cette barre collectrice est reliée au pôle po sitif de la. source électrique 42.
Les électrodes supérieures sont, de préfé rence, faites en graphite. Le proeéclé selon la présente invention est, de préférence, mis en couvre de la. façon sui vante: titre d'exemple, on suppose que le mi nerai d'aluminium utilisé est l'argile ordi naire, par exemple une argile avant à. peu près la composition suivante:
EMI0004.0028
alumine <SEP> (r11203) <SEP> 38
<tb> silice <SEP> (Si0') <SEP> 55 <SEP> %
<tb> oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> (I'e'03) <SEP> 5 <SEP> 0
<tb> oxyde <SEP> de <SEP> titane <SEP> (acide <SEP> titanique <SEP> Ti0') <SEP> 2 <SEP> % Avec l'argile, qu'il y a avantage à cal ciner préalablement afin d'éliminer son hu midité, on se sert de fer en quantité telle que la totalité du fer contenu dans la charge (V compris le fer provenant de l'argile) soit suf fisante pour absorber la. totalité du silicium et du titane produits par réduction et four nisse un alliage fer-silicium contenant de pré férence environ 25 oio de silicium.
Un réducteur est nécessaire et, à. cet effet, on emploie le carbone qui peut être utilisé sous forme de coke. La. quantité de réducteur introduite doit être suffisante pour réduire la totalité de l'acide titanique et presque toute la silice et, étant donné que le carbone de l'électrode supérieure participe à la. réac tion, on introduit dans la. charge une quan tité de carbone plutôt moindre que celle qui serait nécessaire s'il n'en était pas ainsi.
Il peut. aussi être utile d'introduire sou. forme de charbon de bois une partie du car bone utilisé, cela, afin d'augmenter la résis tance spécifique de la charge.
Le fer utilisé peut être métallique ou sous forme d'un minerai, par exemple I'e'0'. Afin de rendre plus fluide le résidu de la scorie, on peut ajouter une petite quantité d'un fondant. par exemple du feldspath. du carbonate de soude, du sel ordinaire, ou de préférence, de la. magnésie. La. composition quantitative de ladite charge ou mélange sera décrite en détail plus loin.
Dans le procédé due l'on considère comme le meilleur, on commence par couvrir le fond du four avec un lit de eolie concassé. On abaisse l'électrode jusqu'au contact de ce coke et on fait passer le courant. Puis on relève légèrement l'électrode provoquant ainsi la formation d'arcs et l'échauffement de l'inté rieur du four. Enfin la charge est introduite dans le four.
Quand la température s'est suf fisamment élevée, la réaction commence en- trainant la réduction des oxydes de fer, de silicium et de titane et provoquant la forma tion d'un mélange ,des éléments correspon dants, mélange qui, sous forme d'alliage fer- silicium-titane, tombe au fond du four d'où il est retiré de temps, à :autre par l'orifice :de coulée 15. Sur le dessin, l'alliage fondu est représenté par la couche 26.
La composition quantitative du mélange qui constitue la charge dépend, dans une large mesure, du genre d'alliage et de scorie que l'on veut obtenir. Si l'on suppose, par exemple, qu'avec une argile ayant à peu près la composition indiquée :ci-dessus, on veuille obtenir un alliage fer-silicium ayant la com position suivante:.
EMI0005.0008
fer <SEP> 72
<tb> silicium <SEP> 25
<tb> aluminium <SEP> 2
<tb> titane <SEP> 1 il y aura lieu, dans ce cas, clé mélanger les substances destinées ,à constituer la. charge approximativement dans la. proportion de: 100 parties d'argile, 40 parties de carbone, 70 parties de fer, y compris le fer con tenu dans l'argile sous forme d'oxyde, 3 parties de magnésie, y compris celle contenue dans l'argile.
Ces différents constituants sont broyés de façon à passer à travers un tamis à mailles de vingt-cinq à quarante millimètres et, après qu'ils ont, été parfaitement mélangés, leur mé lange est introduit dans le four selon les be soins.
Parmi les composants de la charge, les oxydes de fer et silicium peuvent être réduits plus facilement que l'oxyde de titane et ce dernier lui-même est réduit plus facilement que l'alumine et la magnésie, et, par consé quent, restent non réduites une faible partie de la silice, la majeure partie de l'alumine et la totalité ou la presque totalité de la. magné- sie. Ces substances non réduites flottent sous forme de scorie au-dessus de l'alliage fer- silicium-titane. .
Dans le cas où l'on utilise une charge ayant la composition qui vient d'être donnée et produisant un alliage fer-silicium-titane de la composition indiquée, la scorie produite possède à peu près la composition- suivante:
EMI0005.0019
alumine <SEP> 88 <SEP> /u
<tb> silice <SEP> 3
<tb> fer <SEP> et <SEP> titane, <SEP> moins <SEP> de <SEP> 2
<tb> magnésie <SEP> 7 Les substances employées pour obtenir dans la seconde étape du procédé l'alliage aluminium-cuivre-silicium sont:
La scorie alumineuse obtenue dans la pre mière étape, du carbone, de préférence sous forme de coke et du cuivre finement divisé, d'écailles de cuivre ou d'alliage cuivre-sili- cium.
Si la scorie elle-même ne contient pas une assez grande quantité de silice, on peut lui ajouter une quantité convenable d'une subs tance siliceuse pratiquement exempte de fer (kaolin ou sable pur, par exemple); ou bien l'alliage aluminium-cuivre produit peut être rendu plus riche en silicium en ajoutant sé parément ce dernier métal ou par l'addition d'un alliage contenant da cuivre et du sili cium, .alliage qui peut être produit de toute manière convenable.
Les quantités des substances à mélanger à la scorie dépendent dans une large mesure de la composition que doit avoir l'alliage que l'on veut obtenir. Elles seront indiquées plus en détail par la suite. Il suffit pour le mo ment de spécifier qu'il faut employer une quantité de carbone de réduction suffisante pour réduire la presque totalité de la. silice et de l'alumine.
Le four utilisé pour la production :de l'al liage cuivre-aluminium peut être semblable à :celui représenté sur la fig. 2 et peut être mis en marche de la même manière.
Dans les endroits où l'on peut se procurer un minerai suffisamment pauvre en fer et 'en titane comme; par exemple, certaines bauxites blanches ou comme les résidus de la @ealc.iria- t.ion de l'alumine, il peut ne pas être néces saire de soumettre ce minerai au traitement spécialement destiné à. l'élimination du fer et. du titane.
Dans ce cas. l'allia,c alnmi- nium-cuivre-silicium peut être obtenu par ré- duetion directe du minerai employé, avec ou sans addition de silice selon une forme con venable ainsi que cela. a été indiqué plus haut.
D'autre part, dans le tas de minerai avant une teneur suffisamment faible cri ter, mais contenant une trop grande quantité de titane comme, par exemple, certaines bauxites blanches, on peut néanmoins obtenir directe ment un alliage aluminium-cuivre-silicium convenable par un traitement réducteur ther mique et électrique en présence de cuivre, l'élimination du titane se faisant ensuite en permettant à ce métal de se séparer sous forme d'une écume que l'on retire cri écumant le bain. Dans ce procédéï d'élimination du titane, l'alliage doit être retiré du four à.
une température suffisamment élevée pour qu'il entraîne le titane avec lui. L'alliage est en suite refroidi jusqu'à une température con venable. par exemple quelque peu au-dessous de 100)() centigrades, mais suffisamment au- cIessus du point de solidification de la. partie principale de l'alliage. Pendant .ce refroidis sement, la plus grande partie du titane ou du moins une quantité très importante de celui-ci se sépare comme il a été décrit plus haut sous farine d'écume.
Ainsi qu'il a été dit plus haut, les quan tités de carbone et de cuivre nécessaires dans la seconde étape dépendent en général de la composition de l'alliage aluminium-cuivre- silicium que l'on veut obtenir aussi bien que fies quantités d'alumine et de silice ou de sili- eium, introduites (soit avec la. scorie, soit sous toute autre forme) pour fournir l'alu minium et le silicium.
En conséquence, les besoins en carbone et en cuivre peuvent être facilement déterminés avec toute la. précision nécessaire lorsqu'on a. déterminé les compositions (le l'alliage ci; de la scorie.
Si l'on admet, par exemple, d'une part que l'on désire obtenir un alliage dont la coin- position serait à peu près la suivante:
EMI0006.0041
aluminium <SEP> 35 <SEP> 'o
<tb> cuivre <SEP> 55 <SEP> i0'
<tb> silicium <SEP> 8 <SEP> \%o
<tb> fer <SEP> moins <SEP> de
<tb> titane <SEP> moins <SEP> de <SEP> 1 d'autre part, que la.
scorie obtenue dans la phase<B>dit</B> procédé dans laquelle on produit l'alliage fer-siliciurn contient approximative ment
EMI0006.0045
alumin(# <SEP> @t@ <SEP> @>
<tb> silice <SEP> 3
<tb> fer <SEP> et <SEP> titane <SEP> (ensemble) <SEP> moins <SEP> de <SEP> 2 il sera nécessaire, dans ce cas, d'ajouter à environ 100 parties de scorie et ?3 parties de. sable additionnel, en poids, sensiblement 60 parties de cuivre ou 91 parties d'oxyde de cuivre et 46 partie; de carbone.
_u lieu d'ajouter du sable pour fournir le silicium supplémentaire nécessaire, ce dernier peut être introduit. .soit directement, soit sous forme d'un alliage cuivre-silicitim provenant. de toute source convenable. A cet effet, on peut, si on le désire, utiliser l'alliage-anode résiduel provenant de la phase du procédé dans laquelle a lieu l'affinage électrolytique.
Dans l'alliage cuivre-silicium-a.luminium, la proportion d'aluminium par rapport au cuivre doit, en général, être aussi élevée que possible afin que l'on n'ait à entraîner dans les opération s suivantes d affinage et de ré cupération du r-uivre que la quantité de cuivre minimum.
La. quantité d'aluminium qui peut être absorbée par une quantité donnée de cuivre dépend de la température -dans la -zone d(- réaction.
La teinpéniture minimum de réduction est si élevée (près de 18011 centigrades) que l'a luminium métallique a déjà, à cette tempéra ture une tension de vapeur élevée et a. par conséquent, tint, ten.inn de vapeur encore plus ;ranale aux températures qui doivent- être maintenues pour obtenir des réactions ra pides, c est-ti-dire à des températures dépas sant 1900 .
Pour ces raisons; il est dif ficile, sinon im possible, d'obtenir de l'aluminium pur, en réduisant directement par le carbone sous l'action de la. chaleur les composés alumineux.
L'aluminium obtenu par cette réaction est, en effet, sous forme de vapeur et, dès que la température est suffisamment abaissée pour que cette vapeur se condense, celle-ci réagit. immédiatement sur l'oxyde clé carbone en présence duquel elle se trouve pour former de l'alumine et du carbone et pour cette rai son. on ne recueille que peu ou point d'alu minium. Il est donc nécessaire d'opérer en présence d'un métal ayant un point d'ébulli tion plus élevé, auquel l'aluminium soit sus ceptible de s'allier et qui, aux températures de réaction, servira. à. condenser et à absorber l'aluminium volatilisé.
Le fer et le cuivre conviennent l'un et l'autre à. cet effet, mais de ces deux métaux le cuivre seul se prête à l'opération subsé quente d'affinage électrolytique pour l'extrac tion de l'aluminium.
Dans la. pratique, il est nécessaire qu'il y ait une différence appréciable entre la den sité de la. scorie et la. densité :de l'alliage, cela afin d'assurer une séparation effective de ces deux éléments.
Da.ris le cas d'une scorie alumineuse, c on- tenant environ 90 % d'alumine et 8 ou 9 de magnésie, un alliage contenant plus de 30 % de silice ne se séparerait pus assez libre ment de la. scorie pour qu'on puisse le faire écouler par le fond du four; par conséquent l'alliage fer-silicium contenant 30 % de sili cium est à peu près le plus riche en silicium qui puisse être obtenu dans une zone de ré action dans laquelle la scorie serait celle in diquée plus haut.
On a vu due. en raison de la présence de substances non métalliques, telles que -du car bone, de l'alumine, du carbure d'aluminium, etc., ou clé substances insolubles, telles que des composés contenant du titane, qui encom breraient le bain clé la cuve d'affinage, l'al liage aluminium-cuivre-silicium tel qu'il s'é coule chi four clé réduction n'est pas toujours prêt à être traité immédiatement dans la cuve d'affinage électrolytique.
En conséquence, il est avantageux et, dans beaucoup de cas,. il est nécessaire de faire subir à l'alliage un traitement intermé diaire de nettoyage pour éliminer les subs tances de la nature de celles qui viennent d'être indiquées.
La majeure partie de ces substances peu vent être éliminées en laissant refroidir l'al liage (après qu'il a été retiré du four), jus qu'à une température voisine de 1000 centi grades et en le maintenant pendant un cer tain temps aux environs de cette température, par exemple dans un four à réverbère. Ce traitement permet à un certain nombre des substances en question de se séparer sous forme d'une écume que l'on peut ramasser et réutiliser dans la phase du procédé au cours de laquelle on produit l'alliage.
Une autre méthode consiste à laisser soli difier l'alliage. D'une façon générale. la. se conde méthode semble procurer une purifica tion plus complète, mais elle a l'inconvénient de nécessiter une nouvelle fusion de l'alliage.
Dans l'un et l'autre cas, une, partie im portante des substances nuisibles restant en core dans l'alliage partiellement purifié peut, si cela est nécessaire, être éliminée grâce<B>à</B> une sorte de traitement électrolytique prati qué sur l'alliage à l'état fondu en présence d'un bain électrolytique en fusion dans une cuve à anode de carbone du type ordinaire ment utilisé dans le procédé de Hall.
Prenant l'alliage comme cathode, on utilise le bain électrolytique ordinaire de Hall à la cryolite et on fait passer le courant à travers la cuve pendant un certain temps soit environ deux heures. \ La, combinaison clé l'effet solvant du bain et de l'effet réducteur du courant et les con ditions favorables offertes à une séparation mécanique des particules entraînées permet tent d'obtenir un alliage purifié susceptible d'être introduit dans la cuve d'affinage élec trolytique.
Au cours de la phase du présent procédé pendant laquelle s'effectue l'affinage éleetro- lytique, l'alliage aluminium-cuivre-silicium obtenu de la façon qui vient d'être décrite est utilisé comme anode et est. placé en contact avec une couche ou un bain d'électrolyte placé au-dessus de lui et consistant de pré férence en fluorure fondu, l'aluminium pur venant se déposer sur une cathode d'alumi nium fondu. Une des conditions importantes dans cette phase est que l'alliage d'alumi nium que l'on veut affiner et qui est utilisé comme anode soit maintenu dans un état de fluidité suffisante pour que l'aluminium qu'il contient sait constamment libre de rem placer continuellement à la. surface de l'al liage l'aluminium qui, par l'électrolyse, a été retiré de cette surface.
Si la surface de l'al liage n'est pas constamment alimentée en alu minium, les impuretés contenues dans cet alliage peuvent être redisso:utes et déposées sur la cathode en quantité telle qu'elles di minuent d'une façon importante la, pureté du métal affiné obtenu.
Une autre condition im portante consiste à provoquer des réactions secondaires grâce auxquelles les impuretés provenant de et dissoutes dans le bain électrolytique sont, reprécipitées dans l'alliage-anode et celles déposées sur la. ca thode sont redissoutes dans ledit bain électro lytique, ce que l'on obtient par exemple en provoquant un brassage énergique grâce au quel les surfaces respectives de contact du bain électrolytique avec l'anode et avec la cathode sont nettoyées.
Une autre condition avantageuse consiste à ne pas descendre clans l'alliage-anode au- dessous d'une certaine proportion d'alumi nium, par exemple en retirant une quantité plus ou moins grande de l'alliage appauvri et en introduisant à sa place de l'alliage frais, cela afin d'entretenir l'action sélective du bain électrolytique agissant comme solvant de l'aluminium.
<B>Il</B> est en outre important que le bain élec trolytique en fusion ou électrolyte soit utilisé dans des conditions telles qu'une surface de contact. convenable soit maintenue avec le métal-anode placé au-dessous et le métal- cathode placé au-dessus. Sans cela, la composition dudit bain ou électrolyte varierait, ce qui est une condition que l'on a reconnue contraire et même, dans certains cas, fatale au succès de l'opération.
L'électrolyte ou le bain électrolytique que l'on considère comme le meilleur pour l'a.p- plieation du présent procédé contient du fluo- rure d'aluminium additionné d'un ou de plu sieurs fluorures de métaux plus électroposi- tifs que l'aluminium;
de préférence, on donne à ce bain la composition approximative sui vante
EMI0008.0027
fluorure <SEP> d'aluminium <SEP> 25 <SEP> < i, <SEP> 31)
<tb> fluorure <SEP> de <SEP> ba.rvliItl <SEP> 30 <SEP> à <SEP> <B>38</B>
<tb> fluorure <SEP> de <SEP> sodium <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 30 <SEP> \@@
<tb> alumine <SEP> 0,5 <SEP> ic. <SEP> <B>Il <SEP> OM</B>
<tb> fluoiaire <SEP> de <SEP> calcium <SEP> et. <SEP> de <SEP> magné sium <SEP> existant <SEP> à <SEP> l'état. <SEP> d'impure tés <SEP> impossible, <SEP> à, <SEP> éliminer, <SEP> en viron <SEP> 2 On pourrait ajouter des fluorures d'autres métaux alcalins ou alcalino-terreux.
Mais la, présence d'halogènes autres que le fluor est indésirable et, en fait, est tout. à fait à. éviter si l'on veut obtenir de l'alumi nium d'un haut degré de pureté. D'autre part, la présence d'oxygène n'est générale ment pas nuisible et, en conséquence, on peut. introduire de l'alumine dans ce bain.
Dans certains<B>cas,</B> l'alumine est un com posant utile mais, en général, à condition toutefois qu'elle ne soit pas en quantité suf fisante ,pour saturer le mélange.
D'une façon générale, le bain électroly tique ou électrolyte utilisé doit être papable, dans les conditions normales, de remplir à l'égard de d'aluminium une action séparatrice telle que ce métal puisse être, par dissolution, retiré de l'alliage-anode, à l'exclusion à peu près complète de tout autre des composants de cette anode.
Cette qualité essentielle est. possédée dans une très large mesure par les électrolyte: de la classe de ceux qui ont été cités précédem ment.
Un bain électrolytique d'une composition semblable à. celle indiquée plus haut est à l'état fluide aux environs des température: qui correspondent à une bonne marche de l'opération, températures qui, en pratique, s'échelonnent de<B>850'</B> à<B>1100'</B> centigrades environ avec une température optimum d'en viron 950 ',centigrades: A la. température optimum indiquée; un bain électrolytique d'une composition sem blable à celle donnée ci-dessus a. une densité comprise entre 2,5 grammes et<B>92,7</B> grammes environ par centimètre cube.
A la même température, l'aluminium a une densité .d'environ 2,3 grammes par cen timètre cube et s'il ne contient qu'une faible quantité clé métal lourd ou des quantités même importantes de silicium ou d'autres impuretés de densité faible, il flottera sur le bain électrolytique au lieu de s'y enfoncer.
La présence d'environ 25 % de cuivre donne un alliage qui, à la température de <B>950'</B> centigrades, a. une densité d'environ 2,8, cette dernière densité est suffisam ment supérieure à celle du bain électro lytique pour qu'on toit certain que l'alliage ne flottera pas mais restera au fond. On pourrait employer une plus grande propor tion de cuivre, mais, toutefois, en prenant garde que le point de solidification de l'al liage ne dépasse pas la. limite supérieure de température qui convient à une marche ré gulière de l'opération, limite supérieure qui se trouve entre 1050 et<B>1100'</B> centigrades..
Le point de solidification du cuivre pur se trouve aux environs de<B>1083'</B> centigrades mais l'addition de 2 â de silicium abaisse ce point de fusion aux environs de<B>1050'</B> cen tigrades, et un alliage contenant 82 % de cuivre et 18 % de silicium a un point .clé so lidification qui est. aux environs de 815 cen tigrades. L'aluminium est lui-même .capable d'abaisser le point de solidification du cuivre et, si cela. est nécessaire, ou simplement<B>dé-</B> sirable, on peut utiliser ce fait en retirant l'alliage clé la cuve au moment où il contient encore une certaine quantité d'aluminium.
En d'autres termes. la. quantité d'alumi nium et la quantité de silicium doivent être équilibrées par rapport à l'autre ou eaux autres composants de manière que l'alliage- anode reste constamment fluide dans les li mites des températures de réaction qui ne sont pas susceptibles de provoquer une alté ration nuisible -du bain, altération telle, par exemple, que la, volatilisation de l'un ou l'autre -de ses composants.
Donc si l'on dé sire extraire la totalité de l'aluminium, la proportion de silicium après que la totalité de l'aluminium a, été retirée ne doit pas être inférieure à 2 % de l'ensemble cuivre plus silicium; mais, si la proportion de silicium n'est pas par elle-même suffisante pour main tenir la fluidité suffisante, il peut être néces saire de retirer l'alliage (ou de remplacer une partie de cet alliage par du métal frais ou d'ajouter du silicium) avant que la totalité clé l'aluminium n'ait été extraite.
D'une fa çon générale, il est nécessaire qu'il y ait suf fisamment de silicium pour que l'alliage reste fluide à. une température de<B>1000'</B> environ lorsque la proportion d'aluminium restant a été abaissée jusqu'au point que l'on désire atteindre.
Dans le cas où la proportion de fer n'est pas supérieure à 5 %, une quantité de sili cium de 5 % de l'ensemble cuivre plus sili cium est ordinairement amplement suffisante à cet effet. Il est bien entendu qu'il n'est pas nécessaire dans tous les cas que l'alliage soit complètement fondu.
Dans certains cas, la présence d'une quan tité limitée d'éléments solides -ayant un point de solidification élevé entraîné clans l'alliage- anode n'a pas d'inconvénients aussi long temps qu'elle n'a. pas pour effet clé réduire la mobilité de l'alliage au point d'empêcher ses libres déplacements et son écoulement.
Pour les raisons ci-dessus, l'alliage précé demment indiqué comme produit type de la deuxième phase du présent procédé est par faitement propre à subir l'affinage électro lytique qui constitue la troisième phase. Cet alliage a à peu près la composition suivante:
EMI0009.0020
aluminium <SEP> 35
<tb> cuivre <SEP> 55
<tb> silicium <SEP> 8
<tb> fer <SEP> moins <SEP> de <SEP> 5
<tb> titane <SEP> moins <SEP> de <SEP> 1 Dans l'opération d'affinage, l'alliage d'a luminium ou le mélange d'aluminium et d'au tres substances repose à l'état de fusion au fond de la cuve ainsi que cela est indiqué en 46.
Au-dessus de lui flotte une couche 47 constituée par un bain électrolytique fondu ou électrolyte et, sur ce dernier, se trouve une couche 48 d'aluminium fondu dans la quelle les électrodes supérieures pénètrent assez profondément pour assurer un bon con tact électrique soit de 25 à 50 millimètres. Pour placer dans la. cuve les différentes couches fondues, on peut opérer de toute ma nière convenable. On peut, par exemple, y verser les substances préalablement fondue en ayant soin d'utiliser pour la. préparation de la couche initiale d'aluminium le métal le plus pur que l'on puisse commodément ob tenir.
Le courant continu est conduit à l'alliage anode (ou aluminium impur), passe de .celui- ci en s'élevant à travers le bain électrolytique ou électrolyte à. la cathode située au-dessus provoquant le dépôt d'aluminium sur cette dernière. On utilise un courant d'une densité .suffisante pour que les pertes par résistance dans la cuve soient assez brandes pour main tenir la, température de réaction.
En apparence, le passage du courant a pour effet de libérer les anions de fluor ou d'oxygène en contact avec la surface de l'al liage anode ou même les deux, mais la, libé ration de ces éléments a pour effet de retirer de l'alliage-anode, par dissolution, l'alumi nium et toutes celles -des impuretés contenues dans l'alliage qui sont plus électro-positives que l'aluminium, les impuretés qui sont moins électropositives étant laissées.
Celles de ces dernières impuretés qui se raient attaquées par les éléments précités ten- traient immédiatement à être reprécipitées par suite d'une réaction secondaire se produi sant entre l'aluminium avec lequel elles sont en contact et les fluorures ou oxydes desdits métaux moins électropositifs, ceci ayant pour résultat que seul l'aluminium et les impu- retés plus électropositives que lui passent en solution dans l'électrolyte.
Dans l'alliage-anode indiqué plus haut, il n'y a. pas d'impuretés plu; électroposi- tives que l'aluminium et, par suite, pratique ment seul l'aluminium quitte l'alliage pour passer en solution, au moins .aussi longtemps que la proportion d'aluminium reste relati vement élevée et que les réactions secondaires indiquées ci-dessus peuvent se produire libre ment.
L'opération d'affinage est poursuivie jus qu'à ce que la. quantité voulue d'aluminium ait été retirée de l'anode et transportée sur la cathode.
Puis, on fait écouler une certaine quan tité du métal qui constitue la. couche supé rieure et l'alliage-anode appauvri par le trou de coulée 49. De l'alliage anode frais et 'a l'état de fusion est introduit de toute manière convenable, mais en prenant soin que le bain de métal affiné qui flotte sur l'électrolyte ne soit pas souillé.
Cette opération peut être faite de manière convenable au moyen d'un entonnoir de car bone qui, après \ avoir été préalablement chauffé, est enfoncé à travers les bains jus qu'à ce qu'il atteine le fond de la cuve, le courant électrique' ayant préalablement été coupé.
Le métal affiné qui a pénétré dans l'en tonnoir peut être enlevé avec une cuillère à main, après quoi on verse l'alliage-anode frais, puis l'entonnoir est retiré. De préfé rence, on introduit: une quantité d'alliage- anode frais suffisante pour soulever l'électro lyte et le métal situé à. la partie supérieure de telle façon due la surface de ce dernier soit au même niveau que celui auquel elle se trouvait avant le prélèvement opéré.
Les opé rations de coulée et de rechargement peuvent être répétée: de temps en temps suivant que cela est nécessaire ou désirable sans provo quer d'interruption importante dans l'opéra tion d'affinage.
Malgré la densité plus brande de l'élec trolyte une certaine quantité de celui-ci passe, par suite d'un effet de capillarité, le long de la surface -clé contact de l'aluminium liquide et de la croûte solide :3I qui entoure ce der nier, .gagne la surface du bain d'aluminium, s'y étale en une couche mince dont le poids est insuffisant pour vaincre la tension super ficielle de l'aluminium liquide.
Par suite, cette couche s'étend sur la sur face entière dudit bain d'aluminium, et, en raison clé la perte de chaleur qui se produit au contact .de l'air, s'y solidifie sous forme de croûte ainsi que cela est indiqué.
Ce phénomène se poursuit jusqu'à ce que l'épaisseur de la, croûte formée soit telle (la déperdition de chaleur étant alors atténuée) que la, température de la surface inférieure de cette croûte puisse s'élever jusqu'au point de fusion de l'électrolyte.
Quand cette épaisseur est atteinte, les quantités d'électrolyte non saturées qui con tinuent à être transportées par l'effet de la capillarité peuvent s'accumuler au-dessous de la croûte tout en restant liquides et finale ment atteignent une masse suffisamment im portante pour être capable de redescendre<B>à</B> travers l'aluminium.
Ainsi si le bain électrolytique est main tenu à un point tel qu'il ne soit pas saturé d'alumine, la croûte supérieure se développe jusqu'à ce qu'elle atteigne une certaine épais seur après quoi elle cesse de croître. Au con traire si, du fait qu'on a. laissé le bain élec- trolytique atteindre son point de saturation, ledit bain atteint un point -de solidification plus élevé, la partie liquide de ce bain qui gagne la partie inférieure de la.
croûte supé rieure s'y solidifie -et acerdit l'épaisseur de cette -croûte. Si elle n'est pas arrêtée, cette action peut avoir pour effet de transporter au-dessus de l'aluminium une partie impor tante de l'électrolyte qui se trouvait au- dessous et elle peut amener ce dernier à s'at tacher lui-même à. la croûte supérieure. En même temps, la croûte circulaire qui se trouve contre les bords de la cuve épaissit -de la même manière et le résultat final sera une solidification plus ou moins complète de l'élec trolyte.
Pour ces différentes raisons, il est utile pour l'opération normale d'affinage de maintenir le bain électrolytique au-dessous clé son point de saturation.
La croûte d'électrolyte formée, ainsi qu'il vient d'être dit, au-dessus -de la couche d'a luminium a -l'avantage de constituer un bon calorifuge dont la, présence est avantageuse, car elle diminue les pertes clé chaleur qui se produisent à la partie supérieure de la. cuve, mais, d'autre part, elle entraîne, comme il vient d'être expliqué, des pertes de sodium ayant .pour conséquence d'accroître la teneur en alumine du bain électrolytique. La quan tité de sodium qui disparaît ainsi de l'élec trolyte peut être réduite en introduisant dans la constitution de ce dernier la quantité maxi mum permise de fluorure d'aluminium.
Plusieurs méthodes sont utilisables pour maintenir dans l'électrolyte une proportion d'alumine telle que le point de saturation ne soit pas atteint. Par exemple, on peut faire écouler une partie de la couche supérieure -de métal (aluminium) ou on peut écoper cette couche et on peut enlever une .certaine quan tité d'électrolyte saturé ou presque saturé, une certaine quantité d'électrolyte liquide ou solide, .désoxydé ou dépourvu d'alumine étant ajoutée pour prendre la place de la quantité d'électrolyte qui a été enlevée. Le mélange obtenu sera alors au-dessous du point de sa turation.
On peut encore briser et enlever une partie de la croûte formée et à la place il se reformera, aux dépens de l'électrolyte saturé situé dans la cuve, une nouvelle croûte; l'alumine en excès cristallisant sous une forme genre corindon. .
Une nouvelle quantité d'électrolyte li quide ou solide désoxydé ou dépourvu d'alu mine peut ensuite être ajoutée pour rempla cer celui qui a formé la nouvelle croûte. Dans la première méthode, le bain électrolytique sa turé qui a été retiré de la cuve peut être ré généré et préparé pour être utilisé de nou veau. Il suffit pour cela de le pulvériser et de le soumettre à l'électrolyse dans une cuve spéciale en vue de provoquer la. réduction de l'alumine. Le bain désoxydé ainsi obtenu est mis de côté pour être utilisé quand cela est nécessaire.
La couche d'électrolyte à laquelle est due la plus brande partie de la résistance élec trique doit. avoir une épaisseur aussi faible qu'il est possible de l'admettre et on a re connu qu'une couche de 90.à 100 millimètres d'épaisseur est: généralement convenable.
Avec un bain électrolytique ott un élec- trolyte.d'épaisseur déterminée convenable, la densité de courant admissible varie, quelle que soit l'épaisseur de cette couche, entre une limite inférieure correspondant à la densité suffisante pour maintenir l'anode,
le bain électrolytique et la cathode à l'état de fusion et une- limite supérieure correspondant à la densité pour laquelle la volatilisation @du bain électrolytique est excessive ou pour laquelle il y a dissolution d'une trop grande quantité des impuretés contenues dans l'anode.
Dans le cas des différentes compositions d'éle.etro- lytes qui ont. été reconnues utilisables, ces li mites sont approximativement de <B>800'</B> cen tigrades et de<B>1100'</B> centigrades. respective- nient avec une température de réaction opti- mum située aux environs de 950 centigrades.
Dans une cuve avant une anode dont la surface de réaction est d'environ <B>0,63</B> m\'. -il été reconnu qu'en général un courant de 8500 ampères environ donnait. satisfaction. Dans une cuve qui a une anode de la. surface indiquée ci-dessous, la. meilleure densité de courant est d'environ 13500 ampères par mètre carré. Dans le cas de la. densité opti mum de courant indiquée le voltage total entre les bornes de la cuve peut être d'en viron 6 volts: en général. la limite inférieure de voltage utilisable est d'environ 3,5 volts et naturellement il n'y a pas de limite su périeure.
La couche d'aluminium qui flotte sur le bain électrolytique fondu doit être suffisam ment étendue pour être en contact avec la croûte circulaire qui revêt la cuve tout le long du périmètre de celle-ci et doit être assez épaisse pour assurer avec elle un contact stable, cela afin d'éviter ou du moins de ré duire au minimum la volatilisation -du bain électrolytique, volatilisation qui se produit dans une plus ou moins brande mesure aux températures de réaction et qui croit quanti cette température s'élève.
En raison de la tension superficielle de l'aluminium fondu, la couche supérieure doit être d'une épais-seur appréciable et, pour cette raison, il est utile de conserver à cette couche une épaisseur d'au moins 511 millimètres.
Aussi longtemps que la proportion d'alu minium contenue dans l'a.lliabe-anode n'est pas inférieure à 10 ' < @ en poids, on ne rencon tre généralement pas de difficulté à obtenir un métal cathode avant une pureté assez grande polir satisfaire aux exibenr@es commer ciales et même plus grande qu'il n'est néces saire.
Lorsquo l'alliage-anode s'appauvrit, une petite proportion des impuretés qu'il con tient a tendance à être transportée sur la, ca thode, mais en retirant l'alliage appauvri et en lui substituant de l'alliage frais toutes les fois que la proportion d'aluminium ;'est abaissée jusqu'à un point trop faible, la majeure partie dudit métal peut être obtenue sous une formas vraiment pure.
L'allia.be-anode restant après le traite ment ou les traitements électrolytiques peut alors être soumis à un traitement. tendant à régénérer le cuivre en vue, de la. réutilisation de ce métal dans l'application<B>du</B> procédé.
Si l'alliage a, en fer et en titane une te neur assez faible pour que les quantités de ces métaux qu'il apportera avec lui lorsqu'on le réintroduira au cours de la deuxième phase (lu procédé dans la masse totale en réaction, n'augmentent pas la. teneur .de cette masse en fer et cri titane au-delà de la limite admis sible dans l'opération d'affinage éleetrolv- tique, il suffit simplement de traiter cet al liage de façon à lui donner une forme gra nulée.
A cet. effet, on peut diriger un jet d'air ou de vapeur sur un courant d'alliage en fusion. Sur la fi-. .1, on a représenté schématiquement la régénération du cuivre.
Le métal en fusion 50 versé à, l'aide du récipient 51 sort de l'entonnoir 52 sous forme d'un courant qui rencontre au passage un jet d@air ou de vapeur sortant du tube à valve 53 et qui, sous l'action de ce jet. se divise en fragments qui se solidifient et sont recueillis dans une trémie 54 de laquelle ils peuvent être retirés au moyen d'un tuyau d'écoule ment 55 muni d'une porte à glissières 56.
Les particules liquides, qui se forment sous l'action du jet d'air, se solidifient trop rapidement pour pouvoir s'oxyder d'une fa çon importante et, par- suite, le cuivre ainsi traité peut contenir des _quantités assez im portantes d'aluminium sans qu'il y ait de pertes considérables de ce métal. En d'autres termes, la phase d'affinage électrolytique peut laisser, dans le cuivre anode, une quantité re lativement grande d'aluminium (et aussi de silicium) sans qu'il y ait beaucoup de perte en admettant même qu'il y en ait.
Dans le cas où le cuivre anode restant contient trop. d e fer et de titane ou de, l'un des deux métaux, une quantité plus ou moins grande de ceux-ci peut, avant traitement par le jet d'air ou de-vapeur, être éliminée soit par la méthode bien connue de l'oxydation et de l'extraction sous forme .de scorie, soit par toute autre méthode convenable. L'oxydation peut être faite dans un réci pient 51 au moyen d'air (de préférence, pré alablement chauffé) introduit à travers l'un des tourillons 57 et le tuyau 58, tuyau du quel il s'échappe, par les trous 59 placés au fond du récipient ou convertisseur, sous forme de bulles qui montent à travers le métal.
Na turellement, dans cette méthode, l'aluminium restant est oxydé en même temps que le fer et le titane et est retiré avec la scorie. Par conséquent, .dans ce cas, il est préférable de retirer autant d'aluminium ,que possible au cours de l'opération d'affinage électrolytique de façon que l'on puisse, sans que cela en traîne une perte sérieuse, abandonner la. sco rie provenant de l'opération de purification du cuivre.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux détails de la façon de procé der et des appareils décrits ci-dessus à .titre d'exemple, mais peut être mise en oeuvre d'autres façons sans sortir du cadre de l'in vention.