Procédé de production d'aluminium à au moins 99 %. par distillation directe d'aluminium allié à d'autres métaux et four pour la mise en aeuvre de ce procédé. Un fabrique industriellement l'aluminium par électrolyse de l'alumine dissoute dans la ervolithe fondue.
La plupart des métaux con tenus comme impuretés dans les matières pre mières ou dans le solvant et les électrodes sont séparés à. la cathode avant l'aluminium et viennent le souiller; pour obtenir de l'alu minium de teneur commerciale, i1 est essen tiel d'utiliser uniquement des produits extrê mement purs, donc très eoîtteux. En particu lier,
la purification de la bauxite en vue d'ob tenir de l'alumine pure ne peut être réalisée que dans des installations importantes exi geant des investissements de capitaux eonsi- dérables. Il serait dons très utile de disposer d'un procédé qui éviterait ces sujétions et perrlettrait d'obtenir l'aluminium commercial à partir du minerai sans avoir au préalable à traiter chimiquement ce dernier.
Or, les mi nerais (l'aluminium, en particulier les bauxites etlekaolin, contiennent comme impuretésessen- tielles le silicium et le fer, et leur réduction thermique permet. d'obtenir des alliages dont la teneur en aluminium atteint rarement 70 le reste étant. pratiquement du fer et du sili cium avec un peu de titane et diverses impu retés en faibles quantités.
On a déjà proposé de fabriquer de l'alu minium par distillation directe d'alliages ou de déchets de ce métal à une température et sous un vide élevés: jusqu'à présent, ce pro- cédé n'avait pas abouti, car on se heurtait à plusieurs difficultés.
Il était impossible de séparer assez com plètement le silicium et le fer de l'aluminium pour pouvoir obtenir un aluminium commer cial, c'est-à-dire à. titre minimum de 99 /o.
En outre, l'aluminium distillé se rassemblait à. l'état. extrêmement divisé (globules ou cris taux), le plus souvent mélangés intimement avec des oxydes.
Enfin, les matériaux employés, graphite ou oxydes métalliques, étaient rapidement mis hors d'usage par l'aluminium liquide.
La présente invention concerne un. pro cédé de production d'aluminium à au moins 990/0 par distillation directe d'alliages ou de déchets en contenant.
Ce procédé est caractérisé en ce qu'on effectue la distillation dans des conditions de température et de pression telles que, en por tant sur un système d'axes la pression utilisée en abscisses et la température correspondante en ordonnées, on obtienne un point. situé au dessus de la courbe passant par les points suivants
EMI0001.0031
0,03 <SEP> mm <SEP> de <SEP> mercure <SEP> à. <SEP> 1240 <SEP> C,
<tb> 0,3 <SEP> <SEP> <B> <SEP> <SEP> </B> <SEP> 1360 <SEP> C,
<tb> 0,5 <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> :> <SEP> 14000 <SEP> C,
<tb> 1 <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> <SEP> 1450 <SEP> C. Dans cet intervalle de vide, le silicium pur ne distille de façon appréciable que 100 à 150 degrés au-dessus de la. température de distillation de l'aluminium pur.
Pour le fer, la différence est encore plus grande.
On obtient de l'aluminium d'autant plus pur que la température de distillation est plus basse.
L'invention concerne également un four pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce four est caractérisé en ce qu'il est revêtu intérieu rement de matériaux résistant. à l'action de l'aluminium.
On a constaté, en effet, qu'en opérant. à une température voisine de 1100 C et sous des vides inférieurs à 200 microns, l'alumi nium liquide attaque les oxydes avec lesquels il est en contact, alumine, glncine, ete., et les réduit en formant des oxydes et des sous- oxydes volatils d'aluminium qui, passant de la température de distillation à la tempéra ture de condensation, redonnent des oxydes et abandonnent de l'ahuninium à l'état très di visé.
En revanche, d'autres matériaux, par exemple des carbures tels que le carbure de silicium, CSi, très pur, le carbure d'alumi nium et des nitrures d'aluminium, résistent suffisamment en pratique à l'action de l'alu minium liquide à des températures élevées et sous des vides poussés pour pouvoir être uti lisés pour revêtir le four.
Au contact de l'aluminitun liquide, le car bure de silicium se transforme peu à. peu en carbure d'aluminium. Le silicium ainsi libéré risque alors de venir souiller le condensai. Il est donc préférable d'utiliser dès le début le carbure d'aluminium si on peut le préparer suffisamment pur. Le carbure d'alniiiiiiium convient comme revêtement à condition de le maintenir à l'abri de l'humidité; le nitrure d'aluminium résiste parfaitement à l'action de l'aluminium liquide sous un vide élevé et. jusqu'à 1500 C.
On a constaté également que l'aluminium à l'état. de vapeur ne paraît pas attaquer sen siblement le graphite compact; il est donc pos sible d'utiliser ce matériau pour l'enceinte du four et comme résistor chauffant. Tout le reste de l'appareil pouvant se trouver en con tact, avec l'aluminium liquide est. confectionné avec les matériaux (carbures, nitrures) indi qués ci-dessus.
Dans une mise en ceuvre particulière du procédé selon l'invention, on sépare de façon pratiquement complète le silicium et le ter de l'aluminium par une série de distillations dont. chacune reprend le condensat de l'opéra tion précédente.
Pour les alliages contenant plus de 20% de silicium, il faut générale- ment trois distillations, mais on peut éviter la première de ces distillations par une sim ple ségrégation de l'alliage,
qui permet d'ob- tenir un euteetique à. environ 13% de silicium. C'est ce dernier allia-,e qui est ensuite distillé une ou ;généralement deux fois.
L':r@e@raplc <I>l:</I> On part de silico-aluminium de la compo sition suivante:
EMI0002.0050
Si <SEP> 31,5 /0
<tb> Fe <SEP> <B>6,5(1/o</B>
<tb> Ti <SEP> ?,? <SEP> 0/0
<tb> Al <SEP> le <SEP> reste. On procède à. une. ségrégation et on obtient. un euteetique ayant pour analyse:
EMI0002.0053
Si <SEP> 11,'D0/0
<tb> Fe <SEP> 1, <SEP> â <SEP> 0/0
<tb> Ti <SEP> 0,21/0
<tb> Al <SEP> le <SEP> reste. Après une première distillation de cet.
eutectique, on obtient dans le condense une teneur en Si inférieure à ?,8% et une teneur en Fe de 0,1%.
Après une deuxième distillation, on obtient un condensat de la composition suivante:
EMI0002.0068
Si <SEP> 0,21%
<tb> Fe <SEP> 0,041/o
<tb> Ti <SEP> 0,050/0
<tb> Al <SEP> <B>99,67"/o.</B> Les matériaux et supports en eontaet avec l'aluminiiini liquide sont en nitrure d'al.iiiïii- nium. Avec une température de 1380 à.1150 (_" et un vide de 0,200 à 0,020 111111 de mercure, on obtient un rendement en A1 sur le silico-aht- minium initial de 810/0.
Le silicium et, l'aluminium ne forment pas entre eux de composé défini et la distillation d'un alliage aluminiiim-silicium a lieu prati quement dans les mêmes conditions que la dis tillation (le l'aluminium pur.
Par contre, le fer forme avec l'aluminium ou avec l'aluminium et le silicium des com posés définis et on pouvait. craindre que ces combinaisons ne soient pas dissociées dans les conditions de température et de vide utilisées, ce qui n'aurait pas permis de séparer l'alumi- niunl avec un bon rendement des alliages con- tenant plus de 6 % de fer. Or,
i1 n'en est rien, comme le montre l'exemple 2 ci-après.
Exemple <I>II:</I> Distillation de ferro-silico-aluminium, com posé cristallisé de formule approximative A15Fesi.
Composition de l'alliage en poids: 8i: 12,3%, Fe: 20%, Al: 67,7%.
EMI0003.0028
N. <SEP> Température <SEP> Vide <SEP> Analyse <SEP> Métal <SEP> condensé
<tb> (le <SEP> en <SEP> en <SEP> millimètres <SEP> du <SEP> métal <SEP> condensé <SEP> pour <SEP> 100
<tb> l'essai <SEP> degrés <SEP> C <SEP> de <SEP> mercure <SEP> Fe <SEP> /o <SEP> Si <SEP> /o <SEP> de <SEP> métal <SEP> initial
<tb> 1 <SEP> 1470 <SEP> 1 <SEP> mm <SEP> 0,65 <SEP> 0,62 <SEP> 47,5%
<tb> 2 <SEP> 1470 <SEP> 0,5 <SEP> mm <SEP> 1,07 <SEP> 0,82 <SEP> 65%
<tb> 3 <SEP> 14700 <SEP> 0,1 <SEP> mm <SEP> 1,5.1 <SEP> 0,53 <SEP> 70% On voit qu'à la.
température choisie, les combinaisons de fer avec l'aluminium sont pratiquement entièrement dissociées et le mé tal liquide se comporte à la distillation comme un simple mélange.
En pratique, lorsqu'on veut distiller des alliages contenant des combinaisons Fe Al ou Fe Si Al, il est préférable d'opérer à une température supérieure à 1400 C; au-dessous < le cette température, la distillation de l'alu minium est trop lente.
En comparant avec l'exemple I, on cons tate que pour une teneur en silicium presque identique dans le métal de départ, on obtient en une seule distillation dans l'exemple II du métal condensé plus pauvre en :silicium: 0,52 à 0,82 contre 2,8%. Il semble que le fer re- tient. en partie le silicium à l'état. de combi naison de fer et de silicium et l'empêche de. distiller.
Une seconde distillation permet. d'obtenir de l'aluminium à 99,5%.
Au lieu de procéder de faqon discontinue par distillations successives, on peut aussi effectuer la séparation de l'aluminium du sili cium, du fer et du titane, par distillation continue à reflux. Exemple <I>III: '</I> Sur les dessins ci-joints, les fig. 1 et<B>9 -</B> représentent, à titre d'exemple, un four de distillation à. reflux qui permet. d'obtenir im métal plus pur et avec un meilleur rende ment:
la fig. 1 en est une vue en coupe lon gitudinale axiale, et la fig. 2 une vue en coupe suie alït la ligne 2-2 de la fig. 1.
Le creuset allongé c, contenant le métal liquide, est en carborundum ou en nitruré d'aluminium, il est. incliné sur l'horizontale.
Dans la partie d'extrémité la plus basse du creuset. est. ménagé un récipient cl, con tenant l'alliage liquide, par exemple un eutec- tique à 13% de silicium obtenu par ségréga- tion de silico-aluminium, comme indiqué ci- dessus. A la partie d'extrémité la phis haute du creuset est ménagé un récipient, c'2, destiné à recueillir l'aluminium condensé.
Le creuset est fermé à sa partie supérieure par un couvercle b1, en nitrure d'aluminium, entouré d'une enveloppe chauffante a, consti tuée, par exemple, par une résistance conique en. graphite; un second couvercle b2, calori- fue, interposé entre cette surface chauffante et \le premier couvercle b1, permet d'obtenir une température moins élevée, allant en di- niinuant régulièrement entre le récipient cl, où règne une température de 1470 C, et le récipient c'',
où règne une température de 1210 à 123011C.
La position de ce couvercle calorifuge b-' est. réglable.
Un refroidisseur d est. placé en dehors du creuset c et à proximité de ce récipient c<B>l</B>, à l'intérieur de l'enveloppe a. ri la partie la plus haute du creuset, une petite ouverture e est. ménagée contre le couvercle b1 pour per mettre d'extraire par le vide les gaz inertes.
Le récipient c2, collecteur de l'aluminium condensé, est fermé à sa partie supérieure par une dalle c3, en carborundum ou nitrure d'aluminium, comportant un orifice c4.
Le creuset c est chauffé par l'enveloppe conique, en graphite, cc, formant résistance électrique de chauffage, avec amenées de cou rant à ses extrémités, en al.
Le fonctionnement du four est. le suivant Après mise sous vide, l'alliage à distiller avant atteint la température d'ébullition 1.-170 <B>C</B>, les vapeurs métalliques remplissent l'espace libre sous le couvercle b1 et viennent. se condenser sur la paroi interne du creuset en face du refroidisseur d.
Le métal condensé ruisselle sur la dalle c3, qui recouvre<B>le</B> réci pient collecteur c2, une partie seulement pé nètre dans ce récipient c2 par l'orifice cl; le reste revient en arrière en coulant sur la face supérieure inclinée c5 du creuset, formant rampe à reflux, dont on a allongé le parcours autant que possible par des nervures ou sail lies en chicanes c6. Pendant ce reflux, le mé tal liquide est. en contact. avec les vapeurs mé talliques, qui se dirigent en sens inverse, et il se produit une véritable distillation frac tionnée, la phase vapeur s'enrichissant en mé tal plus volatil (aluminium), tandis que le liquide qui reflue s'enrichit en métaux moins volatils (silicium, fer, titane).
En réglant les températures comme indi qué ci-dessus et sous un vide de 0,03 mm, on obtient en une seule distillation de l'alumi nium commerical dans le récipient collecteur du métal condensé en c2. Dans les intervalles de température dans lesquels on réalise habituellement le procédé, 1200-1500 C, la tension clé vapeur du sili cium pur est très inférieure à. celle de l'alumi nium pur;
il en résulte que sous un vicie donné, le silicium se condense à une tempéra ture clé 100 ;i <B>1500</B> C plus tlevée que celle à laquelle se ennderise l'aliiniiniuni. Pour le ter et le titane, la différence est encore plus grande. Cela est mis ii profit dans une forme d-'exécution du procédé suivant l'invention, en séparant le silicium" le fer et. le titane clé l'alu minium, par condensation fractionnée.
A cet effet, on peut utiliser un condenseur composé de deux parties, dont l'une est plus refroidie que l'antre, le silicium, le fer et le titane se, con- dençent alors sur la partie la plus chaude du condenseur et l'aluminium sur la partie la plus froide.
11 est possible également. de créer sz-stéma- tiquement dans le four de distillation des zones à. températures différentes, comme le montre l'exemple IV.
Les fig. 3 et 4 représentent, à. titre d'exemple, un four utilisant ce principe; la fig. 3 en est une vue en coupe longitudinale axiale et la fig. 4 une vue en coupe transver sale suivant la ligne -1---4 de la fig. 3.
La chambre .du four de ni@@nie que l'enve loppe g de celui-ci présentent une forme tron conique, la section transversale allant. en aug mentant de la droite vers la -auehe (fif@. 3).
Dans le fond du four sont ménai2@és trois bas sins<I>h, i,</I> j; le premier, h, en partant de la droite, reçoit, par le conduit. g1, L'alliage à épurer, par exemple un alliage d'aluminium à 13% de silicium. La paroi transvemle oppo- sée, g2, voisine du troisièiiie bassin j, est re froidie par une circulation d'eau,
en g3. 1-n canal g4, ménagé à. travers cette paroi froide, raccorde la chambre du four à l'appareil clé production de vide (non représenté); une cloi son cg5 formant chicane protège l'orifice de ce canal .du côté de la chambre du four. On ri-)-le le refroidissement de cette paroi g2 du four de manière que cette dernière soit à une tem pérature inférieure à celle du point triple du métal<B>(</B>600 C par exemple.). Des résistors h sont disposés à la partie supérieure de cette chambre du four.
Une cloison 1 sépare des bassins <I>h, i,</I> j, cette zone supérieure chauf fante du four, en protégeant les résistors con tre des projections de métal. Ces résistors k et les niveaux des bassins h., i, j s'écar¯tent graduellement et régulièrement. de l'axe lon- =itudinal du four, ce qui permet de régler avec précision la température dans chacun des bassins; les températures de ces bassins, décroissant de la droite vers la gauche, sont.
déterminées par la preasion régnant dans la chambre chi four.
Le premier bassin h., contenant l'alliage :ï. épurer, est, pour une pression de la chambre du tour, de l'ordre de 0,1 niai de mercure, p.-)rté i une température de 1.1i0 C¯ environ.
lie métal, ;lui a eomniencé à s'évaporer un peu a,;azit cette tenipéïatnre, est entraîné vers la paroi froide g' du four sous l'effet de la dif férence de pression entre l'enceinte de ce bas sin ix. et le voisinage de la paroi froide g'. On constate qu'il se dépose du métal à l'état li quide sur le seuil hl, séparant ce bassin h et le bassin suivant i; ce seuil hl est à tune tem pérature de 1380 <B>C</B> par exemple.
Le métal liquide ainsi déposé grimpe sur ce seuil hl et se déverse (comme indiqué par la flèche) dans le bassin i. La teneur de ce métal en Si est inférieure à 3%, tant que la distillation est restée inférieure à 90 % du contenu dut bassin h.
Le métal recueilli dans le bassin i est par tiellement stabilisé; sa température étant établie à 1350" C, il distille néanmoins, mais moins vite que dans le bassin h, bien que le bassin i soit. plus rapproché de la paroi froide g2, qui exerce un effet accélérateur sur la dis tillation. Le métal grimpe sur le seuil il sé parant les bassins i et. ,j, selon le même phéno mène que dans le bassin h; il se déverse dans le bassin j, où sa teneur en Si descend au- dessous de l0/0.
La température de ce bassin j, formant récipient collecteur de l'aluminium purifié, est portée à 1?00 C environ, température à laquelle la tension de vapeur de ]'aluminium est très faible. Le métal i- est stabilisé à l'état liquide pour la. pression régnant dans la chani.- bre du four. La paroi froide.g2 du tour se couvre (en g6) de métal solide, qui se liqué fie et ruisselle dès que la température atteint en surface celle du point. triple.
Le procédé de distillation continue avec reflux peut être appliqué également à la sépa ration de l'aluminium d'avec le silicium et le ter en utilisant une colonne de distillation à plateaux du t#-pe connu dans laquelle toutes les parties en contact avec. l'aluminium liquide .,ont en nitrure d'aluminium.
On peut utiliser un simple cylindre rem pli d'anneaux de Raschig ou mpme simple ment de morceaux bruts de nitrure d'alumi- iiium.
Le procédé :selon l'invention est applica ble à l'obtention d'aluminium raffiné à plus de 99,91/o à. partir de l'aluminium du com merce ou de déchets d'alliages d'aluminium assez purs, et ceci en une seule distillation.