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PROCEDE DE PREPARATION DE L'ALUMINIUM
Le procédé actuellement utilisé pour la fabrica- tion de l'aluminium consiste d'une part dans la fabrica- tion d'alumine pure à partir de la bauxite, d'autre part
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dans 1'électrolyse ignée de cette alumine dans'un bain de cryolithe'fondue.
Ce procédé a beaucoup d'inconvénients,
La fabrication d'alumine' demande une bauxite spéciale pauvre' ensilice, une quantité''importante de charbon et d'eau et beaucoup dé main-d'oeuvré :' la fabrication d'alu- minium exige Produits presque' chimiquement purs, de nombreux fours (cuvés) électriques d'une capacité individuelle assez restreinte, 'une main-d'leuvre 'nombreuse et spécialisée.
La fabrication d'alumine'est condition- née par le prix'du charbon, celle'd'aluminium'par celui du courantélectrique ; on'est donc obligé souvent de placer ces deux fabrications à une distance considéra- ble l'une de l'autre. D'autre part, la grande quantité d'eau dans la fabrication d'alumine et le grand nombre d'électrolyseurs dans la fabrication d'aluminium deman- dent une surface étendue, des capitaux investis impor- tants et des frais généraux élevés.
Des recherches multiples ont été faites pour fabriquer l'aluminium par voie thermique, c' est à dire par réduction directe de son oxyde par le carbone dans un four à une température appropriée. Ces essais n'ont pas donné de résultats intéressants, étant donné que l'a- luminium à la température de réduction de 1''alumine est déjà assez volatil, En conséquence, les vapeurs d'aulumi nium réagissent avec l'oxyde de carbone et le carbone lui-même en formant dé nouveau de l'alumine et du carbure. d'aluminium.'On obtient donc par ce procédé peu d'alumi- nium et il est souillé par le carbure.
Différents procédés ont même été proposés pour extraire 1'* aluminium dé certains de ses alliages, comme
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par exemple le raffinage électrolytique du silico-alu- minium ou la distillation du ferro-aluminium. Mais tout:: ces tentatives se sont heurtées soit à des difficultés techniques,.soit au fait que l'aluminium extrait reve- nait trop cher.
Là, présente invention a pour objet un procédé qui permet d'obtenir l'aluminium en partant de certains de ses alliages comme matière première sans présenter les inconvénients des procédés rappelés ci-dessus,,
Pour.faciliter l'intelligence de ce procédé, ,on a reproduit au dessin annexé diverses courbes connues.
Celle de la fig..1 représente le système aluminium-sili- cium.. La fig. 2 en représente la partie gauche à échelle très agrandie pour mieux montrer la solubilité du sili- cium dans l'aluminium..Les courbes des fig.,3 et 4 re- présentent les points de solidification des bains de zinc et d'étain suivant leur proportion d'aluminium.
Ce procédé consiste en ce que la matière première est soumise à l'action d'alliage d'un corps métallique de traitement tel que zinc, étain, mercure, divers allia-. ges de ces métaux,.susceptible de former avec l'aluminium un'alliage qui est relativement riche en aluminium et qui reste liquide à une température inférieure au point de solidification de l'aluminium et ne s'alliant au maximum à cette dite température inférieure qu'en pro- portions très, faibles,.au maximum de l'ordre de quelques %, aux autres constituants de la matière première, ,et fa- cilement séparable de l'âluminium - -puis que l'alliage liquide formé est séparé' des corps susceptibles de passer à l'état solide à la dite température inférieure,
puis
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que l'aluminium est séparé du corps métallique de traitement allié.
On obtient ainsi à peu de frais de l'aluminium relativement très pur si on le désire, ou avec divers degrés désirés d'impuretés et convenant pour la plupart ' des applications.
L'explication de ce résultat est la 'suivante .
Si l'on examine par exemple la courbé repré'sen tative du système Al-Si '(voir les figs. 1 et 2) on re- marque qu'il existe un-'eutectique 'qui se trouve du côté Al à 13,8 % Si, Cela veut dire qu'en refroidis- sant lentement un alliage, par exemple à 40% Si, on commence vers 1100 à cristalliser du silicium et la' partie restant liquide est de l'aluminium plus pur.
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A 575 o'l'aiuminium liquide ne contient plus qu'ènviron1r 13% Si en dissolution. Dans ce liquide sont uniforme- ment répartis en suspension les cristaux solides du silicium qui n'est plus dissous. L'on peut, en employant des moyens appropriés,séparer la partie solide et ob- tenir, de cette manière à l'état liquide, un alliage Al-Si moins chargé en silicium que l'alliage initial.
Il est impossible par refroidissement d'abaisser ' la -teneur en silicium au-dessous -de environ-13',8.%.'-' .En abaissant encore la température', toute la'masse
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se solidifie à 5750 en rejetant brubquement,de<l'éÉàÉ dissous une forte partie de silicium.'.-à l'état, de cris- taux libres dans l'a.uminium sol3d.é;A paxtirYde''cetté température, une petit e partie' seulement, de siliaïiwr (à 575 C 6 'est l ,6B% comme 1 'indique"'la: 'cottr,bè- 'fig\,2i' , est encore'à l'état c3.i.ssous dan wl'.umüï.'txinsolidéß
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le reste est à l'état cristallisé dans le dit aluminium solide ; malgré l'état solide ce silicium dissout passe peu à peu à l'état cristallisé au fur et à mesure que la température s'abaisse.
Si l'on pouvait, à basse tempéra- ture, séparer de l'aluminium solide tout le silicium qui est cristallisé, on aurait résolu le problème d'avoir de l'Aluminium ne contenant qu'une faible quantité de sili- cium, celle qu'il contient à l'état de dissolution solide.
Les mêmes, ou presque les mêmes, raisonnements peuvent être appliqués aux systèmes de l'aluminium avec le fer et le titane.
Le problème que l'inventeur s'est posé, c'était donc de trouver un moyen qui permette d'avoir l'aluminium en état liquide au-dessous de son point de fusion. Il a trou- vé la solution en traitant les alliages ci-dessus par des corps métalliques qui à l'état de liquide ou de vapeur peu- vent dissoudre une quantité relativement grande d'Al. et une quantité relativement très faible de ses impuretés en formant des alliages ayant une température de solidifica- tion inférieure au point de solidification de l'aluminium (660 ). C'est le cas par exemple des corps de traitement cités plus haut comme le montrent les courbes des fig. 3 et 4 qui indiquent les points de solidification des bains de zinc ou d'étain alliés à des proportions variables d'alu- minium.
Le corps de traitement doit aussi être facilement séparable de l'aluminium qu'il dissout, par exemple soit par distillation (c'est le cas pour le zinc, le Mercure, l'alliage Zinc-Cadmium), soit par électrolyse (c'est le cas pour l'Etain), soit par dissolution métallurgique (dans le cas du traitement par l'étain en reprenant l'étain par le
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plomb fondu).
Ce procédé est applicable notamment aux alliages d'aluminium obtenus soit par réduction, par charbon au four électrique, de bauxite ou autre minerai d'aluminium contenant naturellement ou par adjonction des impuretés métalliques pouvant s'allier à l'aluminium, soit par ré- duction d'alumine en présence d'un métal d'alliage ou son minerai à point d'ébullition plus élevé que celui de l'a- luminium tel que fer', silicium', titane ou leurs mélanges'; il convient également au traitement de vieux déchets d'a- luminium, ou de ses alliages', ou des crasses des bains d'aluminium fondu'.
Avant d'être soumis au corps de traitement décrit ci-dessus, les alliages tels que Al-Fe et Al-Si peuvent être enrichis en aluminium en les chauffant pour fondre et recueillir les composés eutectiques qui sont plus riches en Al, sana fondre le reste de la masse'.
En choisissant comme métal de traitement le zinc (.point de fusion 419 ) ou l'étain (point de fusion 232 ) on obtient des alliages d'aluminium dont le point de soli- dification (voir les courbes des fig'. 3 et 4), variable suivant la proportion d'aluminium, peut descendre jusqu'à 380 pour le zinc et 2280 pour l'étain, c'est à dire que la séparation de la partie 'liquide de ce bain peut se faire à une température très inférieure au point de fusion de l'a- luminium (660 ) et que par conséquent on n'aura à ces tem- pératures à l'état dissous dans l'aluminium du dit bain que des proportions très faibles'de silicium ,et de fer.
Quand on prend par exemple'le zinc comme'métal d'extraction, il est intéressant de travailler tout près de son point de fusion 420 (voir la courbe fig.3) et'même
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de descendre jusqu'à 380 C (point eutectique Zn-Al).
A cette température l'aluminium ne dissout qu'environ 0,25% de silicium (voir fig.2) et presque pas de fer.
On peut donc commencer l'extraction à 420 C pour finir à 380 C. Donc on descend sur la courbe de fusion du sys- tème Zn-Al, du côté Zn, jusqu'au point eutectique. En ajou- tant du cadmium au zinc on abaisse la température de fusion (un alliage Zn-Cd à 20% Cd fond au-dessous de 380 C); on diminue ainsi, il est vrai, le pouvoir dissolvant du bain pour l'aluminium, car le cadmium ne dissout pas @@ dernier métal, mais on diminue aussi avantageusement la quantité de Fe et de Si qui se dissolvent dans l'aluminium.
En ajoutant donc du cadmium (voir plus loin exemple 2), l'aluminium extrait est obtenu en état plus pur, mais son prix de revient augmente, parce que son pourcentage dans le métal extracteur diminue. Plus donc la température d'extraction est basse, plus l'aluminium est pur.
Dans le cas où l'on choisit l'étain comme métal du bain liquide d'extraction, il y a lieu de remarquer ce qui suit'. Le point eutectique Sn-Al (voir la courbe fig.4 dont la partie de droite est en outre représentée au centre à plus grande échelle) se trouve tout près du côté Sn.
Mais à cette température (229 C) l'étain ne dissout que 0,5 d'aluminium. La courbe de fusion du système monte ici vite et à 400 C, 3,5% d'Al seulement se dissolvent dans l'étain, En utilisant l'étain, il sera plus économique de monter plus haut avec la température d'extraction.
L'aluminium extrait sera moins pur, mais comme l'élimination d'étain se fera par électrolyse, donnant un dépôt d'Al pur, le pourcentage plus élevé des impuretés dans l'alu- minium extrait est dans ce cas moins important.
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L'inventeur a remarqué que. les quantités d'impure- tés dissoutes dans l'aluminium lorsque celui-ci est lui- même dissout dans le bain de traitement à une. température T2 inférieure au point de solidification de l'Al sont précisément celles qui existent en "dissolution solide'!- dans l'aluminium solide à la dite température T,., C'est à dire que tout se passe comme si le bain de traitement dissolvait,,dans la matière première,, la masse solide de 1';aluminium uniquement avec les parts de ses impuretés qui sont dissoutes dans 1''aluminium à l'état de solution solide,, en laissant de coté la part des impuretés qui est libre à l'état cristallisé dans la masse solide d'alu- minium et dans le restant de la. matière première.
Il en résulte que si,, après la dissolution d,e ',alliage solide d'aluminium de la matière première dans le bain de trai-.. tement,, on fait varier. la température de cette masse li- quide,. par exemple en l'abaissant de T1 à T2, on fera dé- poser des. quantités d'impuretés correspondant à 1''abaisse-. ment entre ces deux températures,, d'une part du, coef.. ficient de solubilité solide des impuretés dans l'alu- minium et,, d'autre part,, du coefficient de solubilité des impuretés dans le métal du bain., Le liquide,, amené à la température plus basse T2, aura donc.dans sa par- tie liquide la même composition que si 1''extraction de 1'-aluminium de la matière. première par le, bain de trai- tement s'était faite directement à cette température T2.
On pourra donc. amener après extraction à température T1, la température du liquide à la valeur plus, basse T2 correspondant à, une proportion plus fai;ble d'impuretés dissoutes et séparer alors du liquide la part d'impuretés qui est rejetée à l'état solide au, sein. de, la masse li-.
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quide,
Le bénéfice de l'invention peut également être obtenu en faisant l'extraction à une température quelcon- que, même supérieure au point de fusion de l'aluminium, si on abaisse ensuite la température du bain,
Ces modes opératoires variés ont une grande impor- tance.
Ils permettent de se servir d'un bain métallique liquide à une température assez élevée, constante ou ré- gulièrement croissante, ou même des vapeurs d'un tel bain. ou successivement des deux. Le traitement se fera de pré- férence par la méthode du contre courant, c'est à dire que l'on fera cheminer en sens inverse la matière pre- mière concassée et le liquide ou la vapeur de traitement, On obtiendra ainsi une extraction presque complète de l'aluminium de ses alliages, et cela dans un temps réduit si on opère à une température élevée car la rapidité de dissolution augmente avec la température. Ces modes opératoires variés permettent aussi d'augmenter le pourcentages de l'aluminium dams le bain extracteur et de diminuer ainsi son prix de revient.
Les courbes des points de solidifcation des alliages des bains de zinc ou d'étain avec l'aluminium en fonction du pour- centage d'aluminium (voir les courbes des figures 3 et 4) montrent que ce point de solidification s'élève avec la proportion d'aluminium. Il en résulte que si le bain contient une plus grande proportion d'aluminium, sa tem- pérature avec maintien à l'état liquide pourra être moins abaissée et par conséquent l'aluminium sera ob- tenu avec une plus grande proportion d'impuretés : mais pour certaines applications cette plus grande proportion
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d'impuretés pourra être acceptée-ou même recherchée..
Ces perfectionnements permettent aussi de faire .varier dans de larges limites les conditions de l'extraction et facilitent ainsi sensiblement 'la réalisation technique et économique du prccédé.
On peut amener le liquide de la température d'ex- traction T1 à la température voulue T2 en.le'refroidissant et le maintenir au'repos à cette température T2 jusqu'à ce que les quantités devenues libres et-solides des .impure'- tés soient séparées du liquide-. Toutefois,, cette décanta- tion exige un'temps assez considérable..
Il sera souvent plus avantageux de laisser ce li- quide se solidifier puis de le refondre à la température T2 correspondant au pourcentage d'aluminium qu'il contien; les quantités des impuretés libres à cette température resteront alors à l'état solide et seront séparables immé- diatement.. Si même la fusion et la séparation se font ra- pidement, les parts d'impuretés qui peuvent se dissoudre dans l'aluminium solide ou liquide (on'a vu que .les courbes du coefficient de solubilité étaient les mêmes dans les deux cas:) en passant de la température de la masse solidi- fiée à celle de la fusion n'auront pas le temps de se dis- soudre entièrement,.
En opérant plusieurs refontes succes- sives et en profitant chaque fois de ce retard des-impure- tés à la dissolution, on aura un aluminium encore plus pull.
Dans les exemples ci-dessous-, correspondant à des essais effectués par l'inventeur, les températures:indiquées sont les tempérqtures à la fin des essais.
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Exemple 1.- 20 gr.,d'un alliage silico-alumi- nium obtenu dans le four électrique et contenant environ 55 % d'aluminium, 40% de Si et 2,5% de Fe ont été trai- tés à une température d'environ 380 C, avec 100 gr, de zinc. La partie liquide contenait 5,37% Al, 0,023 @ Si et 0,0045 % Fe. Après l'élimination du zinc par distillation, l'aluminium ainsi obtenu contenait 0,43% Si et 0,08% Fe.
Exemple 2.- 20 gr. d'un alliage Al-Si (même te- neur et provenance que dans l'exemple 1) ont été traités, à une température au-dessous de 380 C, avec 100 gr. d'un alliage contenant 80% Zn et 20% Cd. L'alliage Zn-Cd-Al, qui en résulta, contenait 4,26 % Al, 0, 0016 % Fe, 0,0043% Si. L'.aluminium ainsi extrait contenait donc 0,10% Si et 0,037 % Fe.
Exemple 3.- 40 gr. d'un alliage Al-Si (comme dans 1'.exemple 1) ont été traités à une température de rouge sombre, environ 500 , avec 100 gr. d'.étain. L'allia- ge obtenu contenait 17,2 % Al et 0,8 % Si. L'extraction de 1'.aluminium de cet alliage peut se faire soit par électro- lyse, soit par traitement avec du plomb liquide.
Exemple 4. - 12 gr. d'un alliage silico-aluminium identique à celui de l'exemple 1 ont été traités à une température d'environ 800 C (très supérieure au point eutectique 575 et même au point de fusion de l'Al.660 ) avec 100 gr. de zinc. L'alliage ainsi obtenu contenait 1,062% Si, 0,020% Fe et 6,65% Al, ce qui correspond à un aluminium ayant comme titre : 85,99% Al avec 13,75% Si et 0,26% Fe.
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Après un refroidissement et une décantation à une température' d'.environ 390 C (très inférieure au point eutectique Al-Si, 575 ) une mousse métallique contenait la plus grande .partie des impuretés, surnageait et put. ainsi être facilement séparée du reste de= l'alliage. Celui-ci contenait- maintenaht, 0,039% Si et 0,001% Fe, -correspondant à un. aluminium -ayant comme titre 99,43% contenant comme impuretés seulement, 0,56 % Si et 0,014% Fe. Ce résultat est; très voisin. de celui de 1 '-exemple.. 1, exemple dans ..lequel la dissolution se faisait à 380 .
Exemple5.- 20 gr. d'un alliage Al-Si-Fe conte- nant envi.ron 82% Al,13% Si; et 5% Fe ont été traités .avec 100 gr. de -Zinc à une température d'environ 500 C. L'al- liage obtenu avec le métal extracteur contenait, 8,28% Al, 0,218% Si et,0,0082% Fe correspondant au. titre de 97,33% Al,, 2,57% Si, et. 0,095 % Fe. Après :une refonte répétée (3 fois) à une température d'environ 4*00*011'alliage ne :con- tenait, que 0,0293% Si et 0,0013% Fe, c'est à dire un alu- minium ayant comme titre 99,63% avec. 0,35% Si et 0,015% Fe.
Exemple. 6.- 20 gr. de ferro-aluminium avec 60% Al, 35% Fe et 3% Sienviron ont été, traités à environ 600 C avec 100'gr. de 'zinc.' L'alliage obtenu contenait , 4,37%. Al, 0,070% Fe et, 0,0127% Si, correspondant à un alu- minium de 8,24 % avec, 0,20 % Si et, 1 F3. Après- refonte et décantation à une température voisine de 390 C l'allia- ge ne contenait, que ,.0,0055% Si et, 0;00;'2.% Fe, ce qui cor- ,respond à un aluminium de 99,70, contenant .comme' impu- retés seulement 0,11% Si et 0,19% Fe.
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Exemple 7.- 30 Gr. d'un alliage Al-Si-F3 iden- tique à celui de l'exemple 5 ont été traités avec 100 gr.. de zinc à environ 850 C. L'alliage ainsi formé contenait 2148% Si,'0,252% Fe et 17,83% Al, correspondant donc à un aluminium au titre de 86,64% Al'avec 12,13% Si et 1,23% Fe-, Après refonte à environ 440 C et décantation le pourcen- tage de silicium s'est abaissé jusqu'à 0,282 et celui du fer jusqu'à 0,019%.' 'Le zinc a été ensuite éliminé par distillation, et l'aluminium restant dans le four a eu comme titre 98,37% Al et ses impuretés se composaient de 1,61% de Si et 0,Ce., de Fe.
D'une façon-générale, si l'extraction est effec- tuée à une'température plus haute, l'aluminium obtenu'par ce procédé contient des quantités plus importantes de fer ou de silicium, ou de des deux métaux simultanément.
On peut donc, en variant la.température d'extraction, ob- tenir des alliages d'aluminium avec une teneur déterminée de Si ou de Fe.
On peut aussi obtenir des alliages d'aluminium avec les métaux du bain de traitement en limitant l'éli- mination de ces derniers, par exemple en arrêtant la dis- tillation du zine ou du zinc-cadmium, ou en arrêtant la dissolution de l'étain par le plomb.
En pratiquant successivement les deux opérations immédiatement ci-dessus on obtiendra des alliages contenant simultanément les métaux des impuretés de la matière pre- mière et ceux du corps métallique de traitement.
Le procédé permet également de transformer les vieux déchets d'aluminium ou de ses alliages en aluminium commercialement pur..11 est également possible d'extraire
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par ce procédé des quantités relativement importantes d'aluminium des crasses qui se forment pendant la fusion ou la refonte de celui-ci.
La distillation du métal d'extraction peut se faire soit dans des conditions habituelles, soit sous une pression réduite ou dans le videt avec ou sans application d'une atmosphère réductrice ou inerte.
Llalliage initial restant, après l'extraction de l'aluminium, dissout par le bain de traitement, alliage qui est riche en fer ou en silicium, ou en tous les deux, et appauvri en aluminium, ainsi que le résidu solide reti- ré du bain de traitement, peuvent être remis dans le four électrique avec l'alumine ou avec un minerai tel que la bauxite pour servir à nouveau à la fabrication des allia- ges d'aluminium.