Procédé pour obtenir de l'aluminium d'une grande pureté et cuve pour la réalisation de ce procédé. La, présente invention est relative à un procédé pour obtenir de l'aluminium d'une grande pureté par traitement électrolytique d'un alliage d'aluminium, et à une cuve pour la réalisation de ce procédé. L'invention per met pratiquement d'obtenir un métal d'un degré aussi élevé de pureté qu'on le désire. Plusieurs procédés ont déjà été proposés jus qu'ici pour obtenir un tel résultat, mais on sait qu'aucun de ces procédés n'a permis de travailler dans des conditions industrielles.
4vec le procédé -selon l'invention, il a été produit dans des conditions industrielles et à bas pria, un métal dont la teneur en alu minium métallique atteint: 99,98 %.
Dans le@procédé faisant l'objet de l'inven tion, on électrolyse un bain fondu avec, Pomme .anode, un alliage fondu d'ialuminium, composé de telle façon qu'il reste fluide au- dessous d'une température pouvant altérer le bain d'une manière appréciable, l'aluminium extrait de l'anode par électrolyse étant dé posé à l'état fondu sur une cathode en alu- minium également fondu en contact avec le bain précité, de .l'aluminium fondu raffiné étant périodiquement éloigné.
L'électrolyte est avantageusement formé d'un ou plusieurs fluorures, avec ou sans addition de chlo rures. On se servira le mieux, comme anode, d'un alliage qui, à la, température de travail, est suffisamment mobile pour permettre à l'aluminium qu'il contient de remplacer con tinuellement, à la surface de l'alliage-anode, l'aluminium extrait de ladite .anode par élec trolyse.
S'il n'en était pas ainsi, les impure tés contenues dans l'alliage pourraient se dis soudre dans l'électrolyte et se déposer à la cathode en quantité suffisante pour troubler sérieusement la pureté du métal affiné. Il est en outre avantageux de provoquer pen dant l'électrolyse des réactions secondaires par l'effet desquelles les impuretés dissoutes de l'alliage-anode sont précipitées à nouveau sur ladite anode, tandis que celles qui se dé posent sur la. cathode sont dissoutes à nou veau clans le bain; on peut par exemple ob- tenir ce résultat en produisant une circulation énergique du bain baignant les surfaces @ de l'anode et de la cathode et des métaux en fu sion formant ces dernières.
Il est bon, en outre, de maintenir une. certaine proportion minimum d'aluminium dans l'allia oe-aiiode par exemple en enlevant une quantité plus ou moins brande dudit alliage et en la rem plaçant par une quantité correspondante d'al liage frais; cette opération a pour effet, d'assurer l'action dissolvante sélective du bain sur l'aluminium.
D'une manière générale, le bain ou élec trolyte utilisé doit être capable, dans les con dition; normales, d'a.gir sélectivement par rapport à l'aluminium, de telle manière que celui-ci puisse être dissous de l'alliage-anode à l'exclusion, d'une manière pratiquement complète. des autres substances contenues dans ledit alliage. Cette importante propriété appartient, à un degré très élevé, aux édectro- lytes à base de fluorures déjà cités et dont i; est parlé plus loin.
Dans un procédé de production de l'alu minium extrêmement employé. procédé dans lequel l'aluminium est obtenu par réduction de son oxyde. on utilise un bain ou électro lyte de cryolite, mais, dans le procédé qui est décrit ici et dans lequel il est préférable de faire flotter le métal affiné sur l'électrolyte, un tel bain. bien qu'il convienne à. d'autres points de vue, ne peut pas être utilisé seul pour le but poursuivi parce qu'il est, à l'état clé fusion, plus léger que l'aluminium; il per mettrait donc à ce dernier de tomber .au fond de la cuve.
D'autres sels peuvent être ajou tés au bain pour lui donner la densité voulue, mais une telle addition donne lieu à des dif ficultés de natures très diverses entraînant l'impossibilité de produire du métal pur. Un résultat satisfaisant peut être obtenu et l'on peut réaliser un bain réunissant les qualités cherchées ,de densité, clé fluidité, de stabilité et de pouvoir dissolvant de l'alumine, de con ductibilité. ainsi que la propriété de dissou dre sélectivement et de déposer l'aluminium pendant l'électrolyse, en ajoutant à.
la, cryo- lite (ou de préférence à un mélange de fluo- rures d'aluminium et de sodium plus riche en fluorure d'aluminium que la cryolite) des fluorures de métaux alcalino-terreux (ba ryum, strontium, calcium et magnésium). Ces métaux sont moins facilement. précipités du bain que l'aluminium.
Ces fluorures forment ;avec la cryolite des mélanges facilement fu sibles, mais l'expérience montre que le fluo- rure de magnésium a une action moins pro noncée que les autres fluorures pour augmen- i:er la, densité du bain. Un tel bain ne donne pas lieu à des pertes appréciables -de fluo rure d'aluminium par volatilisation à la tem pérature (le travail. La. conductibilité élec trique et le pouvoir (le dissolution de l'alu mine d'un tel bain sont également bons.
La densité de l'aluminium à, 99,75 pour cent de pureté est d'environ 2,29 grammes par centimètre cube à la. température de 1000 C.<B>A</B> cette température, la, densité de la cryolite fondue est d'environ 2,10 grammes par centimètre cube. Pour augmenter la, den sité de la, cryolite, de telle manière que l'alu minium à. 99,75 pour cent de pureté flotte sur elle à. la. température indiquée, on peut ajouter environ ?0 parties de fluorure de b@a- ryum à 80 parties de cryolite.
Si l'on utili sait le fluorure clé calcium, il faudrait envi ron 40 parties de cette substance pour 60 par ties -de cryolite. Tandis due le mélange pré cité de cryolite et de fluorure de baryum est complètement fluide aux températures supé rieures à 965 C, les mélanges de fluorure de calcium et de cryolite contenant environ 40 pour cent ou davantage en poids du premier corps, doivent être portés à tune température supérieure à 1000 C pour rester fluides. Cela. conduirait à donner à. la température de travail du bain une valeur indésirable et im possible à. réaliser souvent dans la pratique.
D'autre part, des mélanges de cryolite et d'un ou plusieurs fluorures clé métaux alcalino- terreux ayant cleq poids atomiques supérieurs à 80 conviennent en grénéra.l; toutefois, le radium doit être exclu pour des raisons évi dente. Des mélanges clé cryolite et de fluo- rure de baryum renfermant entre 20 et 60 pour cent en poids de ce dernier corps sont aisément fusibles à des températures infé rieures à<B>1000</B> C et ont, à l'état de fusion, des densités comprises entre environ 2,88 et 3,15 grammes par centimètre cube à<B>1000</B> C.
Même le plus dense de ces mélanges est en core suffisamment léger pour flotter sur l'un quelconque des nombreux alliages d'alumi nium fondus qui conviennent pour être utili sés comme anodes dans l'affinage électroly tique de l'aluminium.
Un mélange fondu de cryolite et de fluo- rure de strontium contenant entre environ: 20 pour cent et 60 pour cent de .ce dernier corps a une densité comprise entre les limites qui conviennent. pour le but poursuivi, mais de tels mélanges, lorsqu'ils contiennent plus de 40 pour cent de fluorure de strontium envi ron sont en général moins facilement fusibles que les mélanges contenant des quantités cor respond antes de fluorure de baryum.
Un électrolyte -ou bain que l'on peut uti liser avantageusement. dans le présent procédé contient du fluorure d'aluminium .avec addi tion d'un ou plusieurs fluorures de métaux plus électropositifs que l'aluminium. Le bain a de préférence la composition suivante:
EMI0003.0008
Fluorure <SEP> d'aluminium <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 30
<tb> Fluorure <SEP> de <SEP> baryum <SEP> 30 <SEP> à <SEP> 38 <SEP> %
<tb> Fluorure <SEP> -de <SEP> sodium <SEP> 25 <SEP> à <SEP> 80
<tb> Alumine <SEP> 0,5 <SEP> â. <SEP> 8
<tb> Fluorure <SEP> de <SEP> calcium <SEP> et <SEP> de <SEP> magné sium <SEP> existant <SEP> à <SEP> l'état <SEP> d'impuretés
<tb> inévitables, <SEP> environ <SEP> 2 L'addition de fluorures d'autres métaux alcalins ou alcalino-terreux peut être permise, mais la présence d'anions halogènes autres que ceux de fluor n'est. pas désirable et elle doit être évitée à tout prix si l'on désire ob tenir de l'aluminium à un très grand degré de pureté.
D'autre part, la présence d'anions d'oxygène n'est habituellement pas nuisible et, par suite, l'alumine peut être un consti tuant du bain. Dans certains cas l'alumine est un constituant désirable mais non, en gé néral, en quantité suffisante pour saturer le m élance. e. Lorsqu'on travaille avec un bain du type qui vient d'être indiqué, on a observé qu'il ss fait un dépôt considérable de sodium mé tallique sur la cathode et que ce sodium, qui est à l'état de vapeur, passe vers le haut à travers la cathode d'aluminium à l'état de fusion et s'accumule dans la croîlte qui se forme au-dessus;
en ce point, ce sodium donne lieu à des difficultés dans l'étaIlisse- ment des -connexions avec les conducteurs dans lesquels passe le courant à partir du métal formant la cathode. Les tiges de subs tance charbonneuse- utilisées pour conduire le courant à partir de la couche flottante d'alu minium sont attaquées et éventuellement dé sagrégées par le sodium;
cette difficulté peut être atténuée, sans modifier d'une manière appréciable la densité du bain fendu, en augmentant la, proportion de fluorure d'-alu- minium par rapport au fluorure de sodium, bien qu'une telle augmentation ait pour effet d'élever d'une manière appréciable la, résis tance électrique du bain. .
L'addition de chlorure de baryum aug mente la densité du bain, mais moins rapide ment que ne le fait l'addition de fluorure de calcium, de strontium ou de baryum. Toute fois, un bain composé de 40 pour cent de chlorure de baryum et de 60 pour cent de cryolite a une densité telle qu'à<B>1000'</B> C, de l'aluminium à<B>99,75</B> pour cent ale pureté flotte tout juste sur lui, mais si la tempéra ture est portée .à<B>1050'</B> C, sa .densité ,diminue dans une mesure telle que le bain devient plus léger que l'aluminium; ce,dernier tombe alors au fond.
Pour obtenir une densité d'en viron 2,48 à .1000 C, ce qui .donnerait une différence de densité d'environ 0,19 entre le bain et l'aluminium à 1000 C, et une,diffé rence d'environ<B>0,17</B> à<B>1050'</B> C, il .serait né cessaire d'utiliser un mélange d'environ 60 parties de chlorure de baryum et de 40 par ties de cryolite.
Les points de solidification de ces mé langes sont avantageusement bas, mais; ils ont l'inconvénient de produire une quantité excessive de fumée à cles températures voi- sincs de<B>1000</B> C et d'être de mauvais dissol vants d e l'alumine. C'est ainsi. que le bain ci-de.ssus mentionné renfermant 60 pour cent de chlorure de baryum ne peut dissoudre qu'environ 1 pour cent d'alumine.
D'autre ?-aec. tin bain contenant de la. cryolite et 60 pour cent: de fluorure de baiTum (à la place du eblorure) dissout de 4 à à pour cent d'a lumine. Un bain semblable contenant 40 pour cent de fluorure de baryum, bain qui aurait mi poids spécifique d'environ 2,73, dissoudra de 8 à 9 pour cent d'alumine à. 1000 C.
De (#leetrolytes de ce type sont, d'autre part, avatitageuz. pour les raisons suivantes: L'alumine devient plus soluble dans un bain de cryolite lorsqu'on élève fia tempéra ture, mai: si l'on ajoute de l'alumine ,jusqu'à.
ce que le bain soit saturé, on observe qu'une petite chute de température détermine la. pré cipitation d'une certaine quantité d'alumine s(pus forme de corindon ou sous une forme analo-me. ce précipité entraînant avec lui nié caniquement uni, quantité plus ou moins ,,rand(- Île bain.
Dans une cuve en action, la partie du bain avoisinant les parois, ainsi que la partie formant la croûte supérieure oit j-r--nant en. contact avec elle, sont à une lem- '(érature nettement inférieure à, celle de la partie principale du bain;
par suite, si l'on introduit une quantité suffisante d'alumine pour saturer cette partie principale du bain, lr#s courant: qui s'étal@li#sent naturellement r',ans ce dernier détermineront un dépôt gr@i- duel d'une partie de. l'alumine sur les parois,
rIF. la cuve sous la forme d'une croûte qui s'é- pais.sit. Le travail effectué pratiquement avec un tel bain a montré due, lorsque l'alumine cristallisé une première fois sous cette forme, il est extrêmement difficile de le re- dissourtre (la lis le bain.
Une certaine quan tité de cette croûte est utile, à l'intérieur de la. cuve, pour en assurer l'isolement thermique et électrique;
mais -polir empêcher la forma= tion d'une quantité excessive de ces dépôts, qui, sans cela, finiraient par remplir gra- r?uellement la cuve et par gêner le travail, il est important de maintenir la. teneur en alu mine à une valeur inférieure à eclle qui cor-
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responil <SEP> à. <SEP> la, <SEP> saturation. <SEP> Afin <SEP> de <SEP> maintenir
<tb> cette <SEP> condition, <SEP> il <SEP> est, <SEP> par <SEP> suite, <SEP> désirable
<tb> ilails <SEP> la.
<SEP> praticlm- <SEP> de <SEP> donner <SEP> au <SEP> bain <SEP> le <SEP> pou voir <SEP> de <SEP> dissoudre <SEP> une <SEP> quantité <SEP> considérable
<tb> (l'alumine, <SEP> polir <SEP> permettre <SEP> les <SEP> variations <SEP> iné vitables <SEP> qui <SEP> rE'sultent <SEP> des <SEP> conditions <SEP> de <SEP> tra vail <SEP> , <SEP> l'une <SEP> quelconque <SEP> des <SEP> causes <SEP> ci-après <SEP> in diquées <SEP> pouvant <SEP> agir <SEP> pour <SEP> ajouter <SEP> de <SEP> l'alu mine <SEP> aux <SEP> bains:
<tb> h'hydroly@@- <SEP> dit <SEP> fluorure <SEP> d'aluminium
<tb> par <SEP> l'Humidité. <SEP> L'action <SEP> de <SEP> capillarité <SEP> fait
<tb> monter, <SEP> d'une <SEP> iitaip.ière <SEP> continue. <SEP> une <SEP> certaine
<tb> h.artie <SEP> du <SEP> bain <SEP> entre <SEP> hl. <SEP> couche <SEP> supérieure <SEP> du
<tb> métal <SEP> et <SEP> la <SEP> paroi <SEP> dc- <SEP> la <SEP> .cttv@, <SEP> cette <SEP> partie <SEP> du
<tb> bain <SEP> forni(# <SEP> uni- <SEP> ei'oitte <SEP> au-dessus <SEP> du <SEP> métal,
<tb> croîtiv <SEP> qui <SEP> est <SEP> iiiitintenue <SEP> à <SEP> une <SEP> température
<tb> élevage <SEP> et <SEP> qui <SEP> czzt <SEP> (exposée <SEP> à <SEP> l'air.
<SEP> Le <SEP> bain <SEP> en
<tb> exeE-s <SEP> qui <SEP> n <SEP> r- <SEP> pas <SEP> solidifié <SEP> pour <SEP> former
<tb> cette <SEP> croûte <SEP> i-F#tnnibe <SEP> goutte <SEP> à <SEP> goutte <SEP> à <SEP> tra vers <SEP> le <SEP> métal <SEP> <B>de</B> <SEP> temps <SEP> en <SEP> temps <SEP> et, <SEP> lorsque
<tb> la <SEP> croîite <SEP> est <SEP> eVplae(e <SEP> ou <SEP> brisée, <SEP> des <SEP> fragments
<tb> de <SEP> cette <SEP> croîtte <SEP> plongent <SEP> à. <SEP> travers <SEP> le <SEP> métal <SEP> et
<tb> retournent <SEP> à <SEP> la <SEP> partie <SEP> principale <SEP> du <SEP> bain.
EMI0004.0080
B) <SEP> La <SEP> rc#acti@nl <SEP> de <SEP> l.'oxvde <SEP> de <SEP> sodium <SEP> (ou
<tb> de <SEP> l'hvdratc@l <SEP> sm- <SEP> le <SEP> fluorure <SEP> d'aluminium.
<tb> ITile <SEP> qu@lniitf: <SEP> plu: <SEP> ou <SEP> moins <SEP> --grande <SEP> de <SEP> so dium <SEP> est <SEP> toujours <SEP> iptis@ <SEP> en <SEP> liberté <SEP> à <SEP> la <SEP> cathodo
<tb> et <SEP> une <SEP> partie <SEP> (c# <SEP> cF <SEP> sodium <SEP> passe <SEP> à <SEP> travers <SEP> la
<tb> couche <SEP> de <SEP> in <SEP> al. <SEP> probablement <SEP> sous <SEP> forme <SEP> de
<tb> valseur:, <SEP> et <SEP> attc-int <SEP> la:
<SEP> croûte <SEP> supérieure <SEP> oit <SEP> ce
<tb> omps <SEP> est <SEP> n#ï@-ili <SEP> par <SEP> le <SEP> contact <SEP> avec <SEP> l'air.
<tb> C) <SEP> L'oxydati-jn <SEP> directe <SEP> de <SEP> la <SEP> couche <SEP> d'a luininiuni <SEP> flouant <SEP> .sur <SEP> 1r- <SEP> bain <SEP> par <SEP> l'air <SEP> qui
<tb> hé <SEP> nètrc <SEP> à <SEP> travei;
@ <SEP> des <SEP> c-r.tquelures <SEP> de <SEP> la. <SEP> croûte
<tb> snhérieure.
<tb> <I>D) <SEP> L,,</I> <SEP> poi(s@ii@rI, <SEP> (Falinnine <SEP> (lui <SEP> existe <SEP> tou Jouril@itp@ <SEP> tin <SEP> aicai@.r <SEP> fonctionnant <SEP> d'après <SEP> le
<tb> Prcef#dé <SEP> Hall <SEP> pour <SEP> la <SEP> production <SEP> de <SEP> l'alumi nium <SEP> se <SEP> dé <SEP> pose- <SEP> pur <SEP> la <SEP> croûte <SEP> de <SEP> la. <SEP> cuve <SEP> d'af finage, <SEP> si <SEP> celle-ci <SEP> se <SEP> trouve <SEP> dans <SEP> le <SEP> même
<tb> atelier.
<tb> Il <SEP> 1:-s1:
<SEP> tellf-inent <SEP> important. <SEP> d'éviter <SEP> la <SEP> sa turation <SEP> dit <SEP> bain <SEP> due, <SEP> dans <SEP> l'industrie <SEP> (le <SEP> l'a luminium <SEP> telle <SEP> qu'elle <SEP> est <SEP> réellement <SEP> prati quée, <SEP> il <SEP> csi- <SEP> généralement <SEP> nécessaire <SEP> d'enlever
<tb> d@, <SEP> l'aluniinc <SEP> de <SEP> 1,-mps <SEP> à <SEP> autre. En général, on peut traiter tout ailliage d'aluminium ayant une densité supérieure à celle du bain ou électrolyte et conservant une mobilité satisfaisante pendant le traitement.
Lorsque 1a densité de l'alliage est trop faible, on peut l'augmenter par addition d'un ou de plusieurs métaux plus denses. Parmi les mé taux qui peuvent être utilisés dans ce but, on a reconnu que la préférence devait -être donnée :au cuivre. Dans la pratique, la tem- pérature de travail du bain préféré est com prise entre 830 et<B>1100'</B> C approximative ment, la température optimum, étant d'en viron 950 C.
Un bain ayant la :composition précédemment indiquée .a une densité com prise entre 2,5 et 2,7 grammes par centi mètre cube à la température d'environ <B>9,50'</B> C. La présence d'environ 25 % -de cuivre -donne un alliage qui, à la température de 950 C, a une densité d'environ 2,8. Cette densité -est suffisamment supérieure .à :celle du bain pour empêcher l'alliage de flotter et pour que ledit alliage reste au fond.
On peut toutefois utiliser une plus grande proportion de cuivre, pourvu que l'alliage .ait une mo- bilité satisfaisante à la limite supérieure de température permettant un travail facile, c'est-à-dire à une température comprise entre <B>1</B>050 et<B>1100'</B> C.
Le point de solidification du cuivre pur est voisin de 1083 C, mais l'addition de 2 de silicium abaisse le point de solidification à environ<B>1050'</B> C; un .alliage composé de 82 % de cuivre et de 18 % de silicium a. un point de solidification voisin de 815 C. Des additions supplémentaires de silicium ont pour effet d'élever le point de solidification au-dessus de cette température eutectique, avec le résultat qu'un alliage de 31 % de si licium :et 69 % de cuivre a un point de soli dification d'environ<B>1050'</B> C.
Le silicium exerce une action aussi efficace pour .abaisser le point de solidification d'un alliage de cuivre et d'aluminium. Par exemple, le point de solidification :d'un alliage d'aluminium :et de cuivre ayant une composition correspon dant à la formule Cu'Al (87,6 pour .cent de cuivre et 12,4 pour :cent d'aluminium) -est abaissé d'environ<B>1050'</B> C :à environ <B>030'</B> C par addition de 5 pour :cent de silicium et à environ 795' C par addition,de 10 pour cent de silicium.
La présence de silicium dans une proportion comprise entre 2 pour cent et 32 pour cent de l'ensemble cuivre - silicium empêche par conséquent la solidif#catioU de l'alliage à une température de 1000 C, ou à une température plus élevée, et permet ainsi l'extraction de la totalité ou de la presque totalité de l'aluminium sans provoquer la so- lidification de l'alliage résiduel à la.
tempé rature indiquée. La présence de fer et de titans ou d'un seul de ces métaux tend à éle ver le -point de solidification, ce qui est, bien entendu, .nuisible. Dies corps .autres que le silicium peuvent être utilisés pour empêcher la, solidification de l'alliage lorsque l'alumi nium est extrait, mais on donne la préférence au silicium et son prix peu élevé permet de le jeter sous forme de scorie si l'alliage rési duel est traité ultérieurement pour la récupé ration du cuivre.
D'autre part, l'étain ou autre corps à point dé fusion bas miscible à l'aluminium et au cuivre devrait être récu péré au cours :du traitement .de récupération du cuivre. Dans tous les cas, le prix de re vient net du procédé se trouverait augmenté.
L'aluminium a. par lui-même la propriété d'abaisser lie point de solidification du cuivre et on peut profiter de :cette particularité, lors que :cela est nécessaire ou désirable, en reti rant l'alliage -de la cuve pendant qu'il con tient .encore de l'aluminium.
En -d'autres termes, la quantité d'aluminium et la :quan tité de silicium doivent être réglées par rap port .aux autres constituants de telle manière que l'alliage-anode reste mobile, à tout mo ment, entre des limites de température de travail telles qu'il n'en résulte aucune alté ration nuisible du bain, par exemple par vo- latilisation de l'un ou l'autre de ses consti tuants. C'est ainsi que la teneur en silicium, lorsque l'aluminium a été extrait, ne doit pas être inférieure à environ 2 pour .cent :de la quantité totale de cuivre-silicium; mais si la.
teneur en silicium n'est pas par elle-même suffisante pour maintenir la mobilité voulue, il pourra être nécessaire d'extraire l'alliage (ou d'en remplacer une partie par du métal irais, ou bien d'ajouter du silicium) avant que tout l'aluminium ait été extrait.
D'une manière générale, il doit y avoir suffisam- ment de silicium pour maintenir l'alliage mo bile à une température de 1000 C, ou à une température voisine, lorsque la teneur en aluminium a été réduite dans la mesure vou lue. Une teneur en silicium de 5 pour cent Ut la quantité de cuivre-silicium est habituel- lement suffisante pour le but poursuivi pour l'obtention du résultat recherché, si la. teneur en fer n'est pas supérieure à 5 pour cent en viron.
Il est bien entendu qu'il n'est pas né cessaire dans tous les cas d'obtenir la fusion complète de l'alliage. Dans des certaines cir constances, la présence, en quantité limitée, d'une substance à point de solidification élevé, dans l'alliage-anode, n'est pas nuisible tant -qu'elle ne réduit pas la mobilité de l'al liage dans une mesure suffisante pour en empêelier la libre circulation et l'écoulement facile.
Pour les raisons qui viennent d'être expo sées, l'allia be-anode utilisé est de préférence un alliage contenant du cuivre dans une pro portion supérieure à 20 pour .cent, et ,du sili cium dans une proportion comprise entre ? et 32 pour cent de la quantité totale de cuivre plus silicium approximativement.
L'une des applications de la. présente invention est la récupération de l'aluminium des alliages alu- minium-cuivre produits par des procédés élec- tro-thermiques, par exemple d'un alliage ayant approximativement la composition sui vante:
EMI0006.0029
Aluminium <SEP> <B>30%</B>
<tb> Cuivre <SEP> 55 <SEP> ô
<tb> Silicium <SEP> 10
<tb> Fer <SEP> moins <SEP> de <SEP> 5 <SEP> io
<tb> Titane <SEP> moins <SEP> de <SEP> 1 Un appareil convenant pour la mise en ceux r e -de la présente invention est représenté, à titre d'exemple seulement sur le dessin annexé; il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation de l'appareil.
Sur ce dessin: La. fig. 1 est une vue en plan de 1a. cuve; Les fig. 3 et 3 sont îles coupes transver sales faites par 2-2 -et 3-3 de la. fig. 1, respectivement;
Les fi-,. 4 et 5 sont des coupes Ira.nsver- sales de détail faites par .1-4 et 5-5, res- pectivement. dt la fig. 1, ces coupes mon trant les raccords établis pour la circulation de l'eau vers les chambres de refroidissement, à partir de ces chambres et entre elles;
La fib. 6 est une coupe transversale de détail faite par 6-6 de la fig. 1 et montrant 1e mode de connexion des électrodes supé rieures aux barres omnibus négatives;
La fib. 7 est une coupe transversale de détail faite par le même plan que la fig. 2 et montrant le mode de fixation des parties supérieure et inférieure de la cuve, l'une à l'autre, pour l'obtention d'une résistance mé canique suffisante sans qu'il existe -de con nexion électrique entre ces deux parties; La fi,-. F est une coupe de détail mon trant un dispositif d'anode qui convient pour la désoxy.dation de l'électrolyte;
La fi;. 9, enfin, est une coupe de détail faite par le même plan que la fig. 2 et mon trant la croûte supérieure formée au-dessus de la. cathode constituée par le métal, cette croûte étant isolante de la chaleur.
Le cuve inférieure ou partie inférieure 10 de la. .cuve est faite de préférence en acier et affecte la. forme d'un récipient cylindrique avant un diamètre notablement supérieur à la hauteur;
à. sa partie supérieure (ou près de cette partie) cette cuve est munie d'une chambre de circulation ou de refroidissement 11 qui est de préférence obtenue en formant sur le bord supérieur de cette partie de la cuve un rebord 12 de largeur appropriée s'é tendant vers l'extérieur, une bague évasée ou conique 12a étant soudée ou fixée de toute autre manière étanche sur la. face inférieure (lu rebord 12 ainsi que sur le corps de la. cuve @@ un niveau inférieur.
Au-dessus de la partie inférieure 10 de la cuve est disposée une partie supérieure de cuve<B>183</B> qui peut être faite également en acier et qui comporte des parois creuses ména geant une chambre supérieure de circulation d'eau 14. La. surface interne -de la partie su périeure de la cuve s'évase de préférence comme l'indique le dessin. Pour assurer l'isolement électrique des -deux parties de la cuve, on peut interposer entre elles une ron delle plate ou .garniture 15 faite en amiante ou autre matière appropriée.
Afin ,de donner à la construction une ré sistance mécanique suffisante, on peut réunir l'une à l'autre les deux parties de la cuve au moyen de goujons 16 disposés verticale ment, traversant le rebord 12 et se fixant dans des tampons 17 soudés sur le fond -de la partie supérieure -de la cuve à l'intérieur de la chambre -de circulation d'eau. Pour em pêcher la connexion électrique, on peut gar nir les trous du rebord 12 .dans lesquels pas sent les goujons au moyen de douilles 18 et de rondelles 19 isolantes.
Lorsque l'installa tion comporte une circulation d'eau, ce qui a généralement lieu, les douilles et les ron delles précitées ne sont pas soumises à une température élevée; par suite, elles peuvent être faites en toute substance isolante prati quement quelconque qui .ne se ramollisse pas à des températures inférieures à<B>100'</B> C et qui puisse résister aux efforts d'écrasement exercé par les goujons.
Des raccards appropriés pour la circula tion d'eau peuvent être prévus; pour-plus de simplicité et de commodité, ces raccords peu vent être construits et organisés @de telle ma nière que l@eau s'écoule à travers les deux chambres successivement, de préférence à. travers la chambre inférieure d'abord. A cet.
effet, la chambre 11 peut être munie à sa partie inférieure d'un raccord d'alimentation 20 relié par un tuyau 21 à une source appro priée quelconque -d'eau non figurée et, à la partie supérieure (pour empêcher la forma tion de poches d'air) d'un raccord de sortie 22 relié par un tuyau 23 au raccord d'en trée 24 par lequel l'eau provenant de la chambre de circulation inférieure est intro- duite à la partie inférieure de la chambre de circulation supérieure.
Cette dernière est munie d'un raccord de sortie 25 (disposé à la partie supérieure pour empêcher la formation de poches d'air), raccord qui peut être relié par le conduit<B>'227</B> à un tuyau de décharge 26.
Afin d'éviter les pertes d'électricité à la terre, les tuyaux 21 et 27 peuvent être en caoutchouc; le tuyau 28 peut également être fait -de la même substance pour maintenir l'isolement électrique des deux parties de la cuve; l'eau utilisée pour le refroidissement quand les chambres sont réunies doit être suffisamment pure pour empêcher le passage d'une .quantité appréciable de courant de l'une des parties de la cuve à l'autre suivant le voltage adopté pour le travail.
Sur le fond -de la partie inférieure de la cuve peut être placée une couche 28 d'une substance isolante de la chaleur (par exem ple bauxite pulvérisée, ,alumine, magnésie ou briques réfractaires) -dans le but de diminuer ou. de réduire au minimum les pertes de -cha leur à travers le fond de la cuve;
sur cette couche est placé un revêtement 29 d'une ma tière réfractaire conductrice de l'électricité (charbon de préférence) @et à la partie supé rieure .de ce revêtement .est ménagée, de pré férence, une cavité destinée à recevoir l'al- lia.ge à traiter.
Le revêtement constituant le fond peut être formé dune manière commode et satisfaisante en tassant dans la cuve mé tallique un mélange de goudron, de brai et de coke granulé ou pulvérisé, .ce travail étant effectué à une température suffisamment élevée pour rendre la masse plastique; la cuve et son contenu sont ensuite placés dans un four dans lequel la température est pro gressivement élevée jusqu'à une valeur d'en viron 600 C pour :cuire et solidifier la masse charbonneuse.
Une bonne .connexion électrique peut être assurée entre la @e11ve -métallique et .son re vêtement au moyen de plaques collectricas métalliques 31 soudées sur la surface interne de la cuve. de manière à faire corps avec celle-ci tant -au point de vue électrique qu'au point de vue mécanique.. Ces plaques, se pro- longent à. l'intérieur du revêtement de fond qui est moulé autour d'elles.
Dans le plan des plaques collectrices, la cuve peut être munie extérieurement de tampons métalliques de contact 32 soudés de préférence sur la. cuve de manière à. faire corps avec celle-.ci au point de vue électrique et au point de vue mécanique; des barres omnibus en @cu.ivre, en aluminium ou en tout autre métal approprié peuvent être fortement serrées par (les bou lons sur les tampons précités.
Les barras omnibus peuvent affecter la forme de plaques planes allongées 33 entourant la. partie in férieure de la cuve, les extrémités desdites plaques faisant saillie d'un côté de la, cuve pour en permettre commodément la connexion à l'une des bornes d'une source appropriée (non figurée) d e courant continu. Pendant l'affinage, ces barres omnibus sont reliées à la. borne positive de la .source de courant, de telle manière que le, courant pénètre dans la cuve par la partie inférieure. Le revêtement de fond en charbon 29 constitue ce qui, pour la commodité de l'exposé, pourrait être ap pelé l'électrode inférieure de la cuve.
Tous dispositifs commodes et appropriés (non fi- gturés) peuvent être utilisés pour régler le voltage et le débit du courant.
L'électrode supérieure est multiple; elle est formée d'un certain nombre de barres 34 de graphite de fort diamètre et de faible lon gueur,- disposées. verticalement et munies de tiges 35 -de cuivre (ou d'un autre métal) qui sont fixées ou vissées à la partie supérieure de ces électrodes -de toute autre manière con venable. Ces tiges métalliques servent. à sup porter les cylindres de graphite et à conduire le courant. allant à ces cylindres -ou partant (lesdits cylindres; dans ce but, elles peuvent être fixées de manière réglable et amovible (par exemple au moyen de,pinces 36) sur les barres omnibus 37 s'étendant horizontale ment au-dessus de la. cuve dans une direction transversale.
Pour faciliter l'accès aux élec trodes, ainsi que pour en rendre plus aisés le réglage, le remplacement, etc., on peut dis poser les barres omnibus ià,d-eux ou plusieurs niveaux différents, comme l'indique le des- sin; elles peuvent .être supportées par un cer tain nombre de montants 38 auxquels elles sont fixées de manière à former une char pente rigide.
Celle-ci peut. reposer sur la par tie supérieure de la cuve, auquel cas il est préférable qu'elle en soit isolée par tout moyen approprié convenable (non figuré). t1 proprement parler, la, couche d'aluminium flottant sur le bain et la couche d'alliage se trouvant sous le bain constituent respective ment les électrodes supérieure et inférieure, mai: ces couches sont désignées i-ci sous les noms de cathode et d'anode et il semble par suite admissible et commode de désigner les cylindres de graphite et le revêtement infé rieur en charbon (ou leurs équivalents) sous le nom d'électrodes supérieure et inférieure.
Le métal peut être extrait de la. partie supérieure de la cuve par une encoche ou trou (le coulée 39, qui peut être obturé au moyen de toute substance réfractaire appro priée non susceptible de souiller le contenu de la cuve avec lequel elle vient en contact. Le métal. en fusion peut être extrait de la partie inférieure de la. cuve par un trou de coulée 40 qui est normalement maintenu fermé par un bouchon de charbon de bois compact ou d'une autre matière appropriée.
Sur la surface interne de la .cuve est dis posé un revêtement 45 situé au-dessus du re vêtement en charbon 29 et recouvrant le joint qui existe entre les deux parties de la cuve ci. atteignant le sommet. de la partie supé rieure de la cuve ou passant même par dessus ce sommet. Ce revêtement latéral doit être fait en une substance capable d'assurer un isolement thermique et électrique, afin de réduire la, quantité de chaleur conduite aux chambres de circulation d'eau et d'empêcher l'écoulement du courant électrique autour d'une partie quelconque du contenu de la cuve soumis au traitement électrolytique ,dans l'opération d'affinage.
Le revêtement latéral ne doit pas être chimiquement nuisible et il doit être suffisamment réfractaire pour rester al'é- t.at solide aux températures auxquelles il est soumis pendant l'opération électrolytique. Un tel revêtement est de préférence formé (le la, manière suivante:
la matière destinée à cons tituer le bain est fondue électriquement dans le fond en :charbon de la cuve jusqu'à ce que le joint situé entre les deux parties de la cuve soit recouvert; un alliage ayant la com position qui convient pour former l'anode dans le procédé d'extraction de l'aluminium est versé, à l'état fondu, dans la cuve en quantité suffisante pour former une couche ayant l'épaisseur voulue. Cet alliage étant plus dense -que le bain il élève le niveau de ce dernier.
Une quantité plus ,grande de substance constituant le bain est alors ajou tée et l'opération de fusion est poursuivie jusqu'à ce que la -cuve soit remplie au ni veau voulu. Lorsque la croûte a été formée par solidification, .sur les parois de la cuve refroidies par la circulation d'eau à travers les .chambres -de refroidissement, le courant est coupé et une partie du bain fondu est évacuée afin de laisser de la place pour une couche d'aluminium à l'état de fusion, de préférence l'aluminium le plus pur qu'il soit possible d'obtenir; ce métal est versé sur la partie supérieure de l'électrolyte ou bain restant afin de servir de cathode:
il est bien entendu que le bain a une densité supérieure à celle de l'aluminium de telle manière que ce dernier puisse flotter sur lui. On a ainsi formé dans la cuve (laquelle a été munie d'un revêtement latéral offrant une grande résistance au passage de l'électricité et de la chaleur) une couche inférieure 46 d'alliage contenant -de l'aluminium, une couche 47 d'électrolyte flottant sur l'alliage et une couche supérieure 48 d'aluminium flottant sur l'électrolyte, les électrodes supérieures plongeant dans l'aluminium à une, profondeur suffisante (25 à 50 millimètres, par exem ple) pour ,assurer un bon contact électrique.
Le revêtement latéral ou croûte peut être formé de toutes matières appropriées, pourvu qu'elles ne puissent pas souiller de façon appréciable l'électrolyte ou bain ultérieure ment employé; ces matières doivent produire une croûte ayant les propriétés isolantes voulues (l'isolement doit être de préférence à la; fois thermique et électrique). Il a été reconnu que la cryolite (fluorures d'alumi nium et de sodium) avec addition d'une quan tité relativement grande d'un fluorure à point de solidification élevé (fluorure de calcium, par exemple), donne une croûte qui se tient bien.
Dansa ce mélange, les proportions res pectives de cryolite et de spath-fluor peuvent être sensiblement égales.
Il est hautement désirable .d'assurer l'iso lement électrique de la partie supérieure de la cuve d'avec les autres parties' de l'app-d- reil. En d'autres termes, la partie supérieure de la cuve doit être neutre au point de vue électrique. Cela est avantageux pour diverses raisons Si la partie supérieure de la cuve devenait électriquement positive, il se produirait des pertes de courant, à partir de cette partie de la cuve, à travers toutes les zones conduc- trices pouvant exister dans le revêtement la téral;
le courant s'écoulerait ainsi directe ment vers le métal supérieur; une quantité plus ou moins grande de courant passerait ainsi en pure perte autour du bain ou élec trolyte 'et il en résulterait une diminution de rendement de la cuve.
Die plus, bien que toutes les précautions soient prises pour ren dre non conducteur le revêtement latéral lorsqu'il est formé, il est souvent difficile de l'empêcher d'être légèrement conducteur en un ou plusieurs de ses points. Même si ces derniers sont très faiblement conducteurs, une certaine quantité de courant s'écoulera du métal composant la partie supérieure de la cuve, si cette partie est rendue positive, et le passage de ce courant déterminera une attaque plus .ou moins prononcée de l'acier dont est faite la cuve. Cette attaque.
dété riore la cuve et peut éventuellement amener une pénétration de part en part de la cham bre de circulation. D'autre part, l'affaiblis sement graduel de la résistance de la croûte se produit également si la partie supérieure de la cuve se trouve connectée avec la borne négative ou devient, d'une autre manière, négative, probablement à cause -du dépôt de métal qui se produit le long des points par lesquels ont lieu les fuites dues (apparem ment) à une pénétration initiale de la. vapeur de sodium dans la croûte et au remplacement ultérieur résultant -du sodium par l'alumi nium.
On a reconnu que le refroidissement le la cuve par l'eau était préférable, mais le refroidissement par l'air peut également être pratiqué dans certains cas.
Comme l'indique le dessin, la partie su périeure de la cuve est, de préférence, évasée. On a reconnu que cette forme était particu lièrement avantageuse pour de nombreuses raisons. Dans le travail de la cuve d'affi nage, tel qu'il est réellement pratiqué, la ca thode constituée par le métal en fusion flotte à l'intérieur de la partie du revêtement laté ral qui se trouve dans la portion supérieure de la parie supérieure de la cuve.
Il est très désirable, pour maintenir la partie su périeure de la cuve à l'état électrique neutre, qu'un revêtement latéral isolant de l'électri- cité soit maintenu entre la cathode métalliqu(- flottante et la cuve métallique. Dans le pro cédé d'extraction, l'électrolyte tend forte ment, par suite des phénomènes de capilla rité. à grimper le long de la surface qui en toure la cathode métallique flottante.
Si cette surface est refroidie, le bain grimpant tend fortement à se solidifier et, par suite, à. re couvrir le revêtement latéral. notamment lorsque le bain est presque ou complètement saturé d'alumine. Si la surface de contact est verticale, le métal tend davantage à. être englobé dans la porion de bain solidifiée et. par conséquent, à produire un revêtement latéral conducteur, que si la surface en ques tion est évasée vers l'extérieur. De plus, il arrive fréquemment que le revêtement latéral est recouvert sur sa face interne par des dé pôts qui sont meilleurs conducteurs que le revêtement lui-même.
Pour débarrasser de cette partie conductrice le revêtement latéral, on la 'brise et on l'enlève de temps à, autre. D est également désirable parfois d'enlever une quantité plus ou moins brande de revê- temen4 latéral dans le but d'extraire de l'a- lumine de la cuve. Lorsqu'on brise le re vêtement latéral pour l'une ou l'autre des raisons précitée, la forme Pvasée facilite le travail et permet aux ouvrier' d'extraire le revêtement en faisant tomber la plus petite quantité possible de fragments dans le con tenu de la. cuve.
Lorsque le revêtement la téral est enlevé et que le métal-cathode vient en contact. avec l'acier formant la partie su périeure de la cuve (qui ceste alors d'être neutre au point de vue électrique), il est re lativement facile, si la, partie de la cuve est évasée, de séparer le métal-cathode de la cuve en répandant sur le bord de cette dernière une certaine quantité de la matière dont est fait le bain;
cette matière, pulvérisée nu ,granulée, plong rapidement à. travers le m tal fondu et vient reposer sur la, surface in clinée de la cuve où elle se fritte superficiel lement et forma rapidement une croûte iso lante. Un tel renouvellement du revêtement isolant serait très difficile à. faire si la par tie supérieure de la cuve n'était pas évasée.
L'effet produit par le passage du cou rant pendant l'opération d'affinage est ap paremment de mettre en liberté des anions de fluor ou d'axV,?ène (ou les deux à la fois") en contact avec la surface du métal-anorl:
=. La mise en liberté de ces anions a pour effet de dissoudre. dans l'alliage-anode, l'alumi- iiium ci-, les impuretés contenues dans cet allia.be et plus électropositives que l'aluni!- iiium; les impuretés qui sont moins électro- positives que l'aluminium restent clan: l'al liage.
Celle: de ces impuretés qui peuvent: être attaquées par les anions tendent il être: immédiatement précipitées à. nouveau par une réaction secondaire entre l'aluminium (avec lequel elles sont- en contact) et les fluorures ou les oxydes de ces métaux moins électropositifs; il en résulte que l'alumi- ilium et les impureté: plus électropositives (lue lui se dissolvent seuls dans le bain.
Dans l'alliage-anode ci-dessus décrit, il n'existe pas d'impuretés plus éloctro-positives que l'alu minium; lier suite. l'aluminium ?Plll untn- pratiquemeni- dans la solution tant que la teneur un aluminium reste relativement éle- v ée et que les réactions secondaires précitées peuvent se produire librement.
Avec un bain contenant des fluorures de sodium et de baryum, il se dépose aussi sur la -cathode, en même temps que l'aluminium, une certaine quantité de baryum et de so dium, l'importance de ces dépôts dépendant, dans une certaine mesure tout au moins, .de la densité du courant utilisé et de la. compo sition quantitative du bain. On a reconnu toutefois que le baryum et le sodium réagis sent tous deux, à la température de travail, sur le fluorure d'aluminium pour produire de l'aluminium métallique et du fluorure de baryum ou du fluorure de sodium suivant 1c; cas.
En conséquence, tant que le bain ren ferme une proportion suffisamment élevée de fluorure d'aluminium et tant que ce bain peut baigner librement le fond de la. couche de métal formant cathode, ce métal ne con tient plus de baryum; mais, à la température de travail, le sodium, qui est presque inso luble dans l'aluminium, est mis en liberté sous la forme gazeuse etde petites quantités de ce corps s'échappent avant que la réaction secondaire ait pu le redissoudre complète ment.
Par suite, de faibles traces de sodium se retrouvent souvent dans le métal-cathod, et une certaine quantité de sodium s'échappe dans la croûte isolante de la chaleur main tenue au-dessus de la couche supérieure de métal. Mais cette quantité est habituelle ment très faible lorsque le bain est maintenu dans l'état voulu de fusion et qu'on ne laisse pas tomber au-dessous d'une certaine valeur la. teneur dudit bain en fluorure d'aluminium.
Dans l'appareil représenté, les :courants circulant dans les barres omnibus supérieures transversales horizontales 37 et dans les élec trodes verticales 34 d'une part, et dans les baircs omnibus inférieures horizontales enve loppantes 33 et dans les plaques collectrices ou distributrices horizontales divergentes 31, d'autre part, produisent dans la cuve un. champ magnétique puissant et non uniforme ayant à la fois des composantes verticales et horizontales.
Par suite de la résistance spé- cifique relativement élevée de l'électrolyte, par rapport .à celle de l'alliage-anode ou à celle de la couche métallique supérieure, la densité de couvrant à travers la section trans versale horizontale de l'électrolyte et, par suite, à sa surface supérieure et à sa surface inférieure, est sensiblement uniforme.
De même, la densité de courant à la surface de contact entre le revêtement conducteur cl ii fond de l'alliage-anode (ce dernier étant de beaucoup meilleur ,conducteur que le premier) est sensiblement uniforme, bien que les pla ques conductrices ou nervures du revêtement du fond tendent, dans une certaine mesure, à. concentrer le courant.
Mais -dans l'alliage- anode, le courant peut avoir des composantes horizontales aussi bien -que des composantes verticales dues -en partie à l'effet de concen tration des plaques précitées clans le revête ment du fond et plus spécialement sans doute à la forme rappelant celle d'une coupe du revêtement du fond, forme en raison de la quelle une partie du courant peut s'écouler entre l'alliage-anode et les parois conduc trices latérales des récipients. Ces compo santes horizontales du courant circulant dans l'alliage sont, pour la. plupart, dirigées sui vant des rayons.
L'action combinée du cou rant circulant dans l'alliage-anode et du champ magnétique non uniforme produit de la manière ci-dessus expliquée, oblige l'al- liage-anode (qui, à l'état de fusion, est en fait composé de conducteurs mobiles) à s'é couler dans des directions diverses, ce qui produit une circulation intense et un mélange de l'alliage.
De plus, l'action combinée des courants et du champ magnétique dans le bain et dans. la .cathode produit un effet d'a- gitation analogue clans -ces couches. Ces effets d'agitation sont très avantageux parce qu'ils assurent l'homogénéité de composition et de température et qu'ils empêchent notam ment l'appauvrissement.
du bain en alumi nium à l'endroit de la surface -en contact avec la cathode. L'effet d'agitation précité assure également un @contact intime du bain avec l'anode et avec la cathode sur toute l'étendue de leurs surfaces contiguës; il en résulte que les réactions secondaires par l'effet desquelles les éléments (autres que l'aluminium) déposés sur la, cathode sont dissous à nouveau dans le bain. réactions qui provoquent la précipitation à nouveau sur l'anode des impuretés dissoutes dans ladite anode. ont ainsi l'occasion de se produire.
Au cours de l'opération d'extraction, l'a luminium dissous de l'alliage-anode est dé posé à l'état. de fusion sur la cathode; quand la quantité voulue d'aluminium a été déposée, une partie de la. couche supérieure de métal est extraite et l'alliage-anode appauvri est extrait par Ici trou de coulée 40; une quan tité convenable d'alliage-anode frais à. l'état de fusion est. introduite de toute manière appropriée telle que le métal affiné flottant sur le bain ne soit pas souillé.
Cette opéra tion peut être commodément exécutée au moyen d'un entonnoir en charbon qui, après avoir été chauffé au préalable, est introduit jusqu'à ce qu'il atteib e presque le fond de la. cuve, celle-ci ayant été de préférence mise hors circuit. Le métal affiné pris clans l'en tonnoir peut être puisé au moyen d'une cuil lère à. main, après quoi le métal-anode frai, est versé clans l'entonnoir. Celui-ci est en suite soulevé et retiré.
Le métal-anode frais introduit l'est de préférence en quantité suf fisante pour élever le niveau du bain et de la couche métallique supérieure jusqu'à ce que la surface de cette dernière se trouve au même niveau qu'avant l'extraction.
Les opérations d'extraction et de rempla cement peuvent être répétées de temps à autre suivant que .cela. est nécessaire ou dé sirable, sans interruption sérieuse du procédé qui, iï part ces interruptions. peut se pour suivre d'une manière continue.
Malgré la plus grande densité du bain, une partie de ce dernier est entraînée vers le haut par capillarité dans la zone de con tact entre l'aluminium liquide el la croûte solide environnante à. la surface de laquelle elle s'élève pour se répandre en une couche mince dont le poids est insuffisant pour vaincre la tension superficielle de l'alumi- nium liquide. En conséquence, cette partie du bain se répand sur toute la. surface de l'aluminium et, en raison des pertes de cha leur dans l'air, se solidifie, de manière à for mer une croûte comme l'indique, par exem ple, en 58. la fi-. 9.
Ce phénomène se pour suit jusqu'à ce que la couche ainsi formée se soit épaissie clans une mesure telle (la perte de chaleur étant ainsi retardée) que la température de sa surface inférieure puisse atteindre le point. de fusion du bain. Lors que cette épaisseur est atteinte, les quantités dé bain non saturé entraînées ultérieurement par l'action de capillarité peuvent s'écouler sous la forme liquide sous la croûte et arriver finalement à. former une masse suffisamment important(, pour qu'elle puisse plonger à. tra- #.1erS l'aluminium.
Par suite, si le bain est maintenu non saturé d'alumine, la croûte su périeure se forme et parvient à une certaine épaisseur; à, partir de ce moment, elle cesse de croître. D'autre part, si on élève le point de solidification du bain, en lui permettant (le se saturer, le bain liquide trouvant son chemin vers la surface intérieure de la croûte s'y solidifie partiellement en ce point et augmente d'épaisseur. 8i ce:
phénomène n'é tait pas contrarié, il aurait pour effet d'a mener une grande partie du bain sur l'alu minium et de l'obliger à s'attacher à la croûte supérieure. En même temps, la croûte environnante, sur les côtés de la, cuve, s'é paissit de la. même manière et le résultat final serait une solidification plus ou moins complète du bain, à moins que la tempéra ture de ce dernier ne soit élevée d'une ma nière correspondante. De plus, si la. teneur du bain en alumine est trop élevée, une croûte plu:
ou moins étendue peut se former entre le bain et la cathode, entre le bain et l'anodo ou en ces deux endroits à. la fois. Dans la plupart des cas, la. croûte est attachée au revêtement de la ruée et s'étend vers l'in térienr à. la. façon en quelque sorte, d'un rayon (de meulait-). En général, une telle croûte est nuisible, ainsi que cela sera, expli qué plus complètement ci-après.
Pour les raisons ci-dessus. il est désirable de maintenir le bain non saturé d'alumine pendant l'opé- iation normale d'extraction.
La croûte de bain formée sur la couche d'aluminium, ainsi que cela a été décrit plus haut, ,sert de moyen commode -et efficace d'isolement .de la chaleur pour réduire les pertes de chaleur à la partie supérieure de 1 a cuve.
Au lieu de former la croûte de la ma nière décrite ici à titre d'exemple, on-peut la produire en projetant sur la surface supé rieure de la couche d'aluminium, peu (le temps après qu'elle se trouve en place, une couche de bain finement divisé. Cette couche est rapidement cimentée par le bain liquide venant d'en bas et qui la baigne.
Les pro priétés isolantes de la croûte supérieure peu vent être accentuées en projetant une plu-- grande quantité de la matière -composant le bain., à l'état pulvérisé, sur ,ladite croûte après qu'elle a été formée, de telle manière qu'elle se trouve recouverte par une -couche de ladite matière qui constitue un excellent isolateur en raison de son état poreux.
Il a été fait allusion ici à une croûte qui peut se former entre le bain et le métal-ca- thode, ainsi qu'entre le bain et l'alliage- anode. Dans le dernier cas, la surface de contact entre le bain et l'anode est diminuée; par suite, la densité de courant à l'endroit de la surface active de l'anode est accrue.
Une densité de courant trop forte à la sur face de l'anode provoque la dissolution de l'aluminium dans l'électrolyte, :cette dissolu- Lion se faisant à une vitesse plus grande que l'amenée, à la surface, du métal provenant de l'alliage; il en résulte donc un appauvrisse ment de ce dernier en surface et par suite une accentuation de la tendance à la 4isso- lu.tion d'un plus grand nombre d'éléments électronégatifs (fer et silicium, par exem ple).
D'autre part, si une surface convenable de contact est maintenue entre le bain et l'alliage-anode, non seulement il y a moins de probabilités de dissolution ,desdits élé ments, mais il y a également davantage de probabilités de précipitation à nouveau -de ces éléments nu contact de l'anode, où l'alu minium les précipite à nouveau et les eru- pêche par .conséquent de souiller le bain.
De même, la présence d'une croûte entre le bain et le métal-cathode réduit 1a surface de con tact entre ces parties et -augmente ainsi la densité de courant de la cathode. Une den sité de courant trop élevée tend à appauvrir la surface du bain en contact avec la cathode et il en résulte que, des métaux autres que l'a luminium (par exemple, dans le cas présent, les métaux alcalinor-terreux et le sodium) peuvent être déposés en permanence.
Dans les conditions normales, toutefois, ces. mé taux, lorsqu'ils sont déposés sur la cathode, se dissolvent à nouveau en grande partie par l'effet de la réaction secondaire avec le bain et ils sont remplacés par leur équivalent d'a- luminium, sauf si le sodium s'échappe !de la cathode sous forme de vapeur (et en propor tion de la quantité de sodium ainsi volati lisé).
La réduction décrite de l'aire de la sur face de contact conductrice existant entre le bain. et les deux couches métalliques aug mente la résistance électrique de la cuve;
en conséquence, comme, dans la pratique, les cuves fonctionnent en série dans un circuit avec du courant sensiblement constant, la formation de la croûte précitée en forme de rayon ,donne lieu à une élévation de voltage entre les bornes de la cuve et, par suite, à une augmentation de la dépense d'énergie dans la cuve sans qu'il y ait augmentation du débit du métal. Ainsi que cela a déjà été exposé, la formation de la croûte précitée est due en grande partie à la présence d'une trop forte quantité ,d'alumine dans le bain.
Plusieurs procédés peuvent être appliqués pour maintenir la teneur du bain en alumine au-dessous du point de saturation; c'est ainsi, par exemple, que le métal supérieur (alumi nium) peut être extrait et qu'une partie du bain saturé ou presque saturé peut être égale ment extraite, le bain ainsi enlevé étant rem placé par une quantité convenable de bain liquide ou solide exempt d'alumine ou désoxydé. Le mélange résultant sera bien au-dessous du point de saturation.
L'un des meilleurs procédés consiste à rompre et à en lever une partie de la croûte, après quoi elle se reforme aux dépens du bain saturé clans la. cuve, l'alumine en excès cristallisant sous forme de corindon ou sous une forme ana logue. Du bain frais exempt d'alumine ou désoxydé peut être ajouté soit sous la forme solide, soit sous la forme liquide pour rem placer celui qui a formé la nouvelle croûte. Dans le premier procédé, le bain saturé ex trait de la, cuve peut être régénéré et préparé pour repasser dans le traitement; à cet. effet, on le broie et on l@électrolyse.
Un autre procédé pour empêcher la satu ration du bain par l'alumine consiste à désoxyder l'alumine d'une manière continue, ou .de temps à autre, dans la cuve d'affinage elle-même, par exemple en électrolysant le bain par le procédé Hall pour la. production de l'aluminium à partir de l'alumine. Ce ré sultat peut être obtenu en plaçant une élec trode en charbon en .contact avec le bain et en la reliant à la borne positive de la cuve, de manière à faire jouer à l'électrode en charbon le rôle d'anode.
Le courant quittant cette électrode en charbon sert à électrolyser l'alumine à la, manière habituelle, l'alumi nium se déposant sur le métal-cathode ou sur l'alliage-anode ou encore sur les deux, sui vant le voltage utilisé; l'oxygène est mis en liberté sur l'anode en charbon et il forme de l'anhydride carbonique avec une partie du carbone.
L'anhydride carbonique ainsi produit bouillonne à travers la couche supérieure de métal et peut être partiellement transformé en oxyde de carbone; il sert néanmoins à en traîner une partie de l'oxygène du bain et par suite à le ,débarrasser d'une certaine quantité d'alumine; la teneur du bain en alumine tombe ainsi jusqu'à un point inférieur à celui (le saturation.
Dans la pratique, l'introduc tion d'une anode en charbon dans le bain présente une certaine difficulté due au fait que le charbon est plus léger que le bain et qu'il doit par suite être maintenu de force à. l'intérieur de ce dernier; ces .difficultés sont également dues à ce fait que tout dispositif utilisé pour maintenir l'électrode abaissée doit nécessairement passer à. travers la couche supérieure du métal. Les fig. 1 et 8 montrent le mode préféré d'utilisation d'une anode en charbon.
Sur ces figures, 50 désigne un dis que en charbon dans lequel est vissé un bou ton cri charbon 51 dans l'extrémité supérieure duquel est vissée une borne en fer 5? refroi die par circulation d'eau. Cette dernière est vissée dans l'extrémité inférieure d'un tuyau 53 qui sert à supporter la borne et le disque et qui est également utilisé pour amener le courant d'électrolyse et l'eau de réfrigération.
son extrémité supérieure, le tuyau est ajusté dans la, face inférieure d'une chambre close 54 à l'intérieur de laquelle se projette, vers le bas, un tuyau .d'amenée d'eau 55 pé nétrant dans le tuyau 53 et allant jusqu'à. l'extrémité inférieure de ce dernier. L'eau ainsi introduite au contact de la. borne en fer 52 s'élève autour du tuyau 55 et s'échappe de la chambre 5-1 par le tuyau 56. Le tuyau 53 est fixé sur un support isolant 57 de ma nière à, maintenir le disque en charbon 50 immergé dans le bain au-dessous de la couche d'aluminium 48.
Autour du bouton en charbon 51, de la borne 52 refroidie par l'eau et de l'extrémité inférieure du tuyau 5 3 se-trouve une couche isolante et réfractaire 58 qui peut être for mée d'un mélange de bain et de corindon préalablement fondu sur place. Cette croûte sert à empêcher la. couche supérieure d'alu minium de venir en contact avec le disque en charbon ou avec les parties annexes reliées électriquement à ce disque et, par suite, à empêcher un court-circuit. entre la couche su périeure de métal et l'anode de désoxydation.
Cette dernière peut. être reliée électriquement à la barre omnibus positive de toute manière convenable. de préférence par l'intermédiaire d'un coupe-circuit approprié non figuré, à partir duquel le courant peut être conduit par un câble 59 relié au tuyau 53.
Dans le travail tel qu'il est pratiqué, il suffit Habi tuellement de désoxyder le bain par inter mittence, plus ou moins souvent, suivant la vitesse (déterminée par l'expérience) avec laquelle l'oxygène passe dans le bain. Si le voltage du courant de désoxydation est infé rieur à celui ,ducourant principal (fourni au fond en charbon de la cuve) et cela d'une quantité suffisante,
le courant de désoxyda tion passera en totalité entre l'anode de désoxydation et la cathode en aluminium et l'aluminium produit par la désoxydation de l'alumine se dissoudra en totalité ou presque sur la cathode. D'autre part, si le voltage de désoxydation est supérieur au voltage principal (entre les bornes de la cuve), une partie au moins du courant de désoxydation s'écoulera entre l'anode :de désoxydation et le métal au-dessous de l'électrolyte, :ce qui aura pour effet de déposer une partie de l'a luminium sur le métal précité.
Un autre procédé de désoxydation de l'é lectrolyte consiste à extraire la couche super ficielle d'aluminium et à inverser les con nexions électriques, de manière que les élec trodes supérieures deviennent l'anode et que la couche de métal au fond devienne la ca thode. L'alumine est ensuite réduite comme dans le procédé Hall et. lorsque l'opération a été poursuivie pendant un temps aussi long qu'on la désire, on revient aux conditions normales.
Dans l'opération d'extraction, l'électro lyte, qui constitue la plus grande partie de la résistance, doit être en couche âussi mince que possible; on a reconnu qu'une couche ayant de 65 à 100 millimètres d'épaisseur donne en général satisfaction. Avec un bain ou électrolyte ayant une profondeur de tra vail prédéterminée, la densité de courant ad mise varie entre une limite inférieure suffi sante pour maintenir l'anode, le bain et la cathode à l'état île fusion et une limite su périeure pour laquelle la. volatilisation du bain est trop forte ou pour laquelle une trop grande proportion des impuretés de l'anode se dissout.
Ces limites, avec les diverses com positions de bain qui ont été reconnues pra- tiques, sont approximativement 800 C et 1000 C, respectivement, la température pré férable de travail étant d'environ<B>950'</B> C.
Dans une cuve ayant une section trans versale à travers l'électrolyte d'environ 0,90 ni-, on a reconnu que le courant qui con vient le mieux en général est un courant de 8500 .ampères, mais que le procédé peut être appliqué avec des courants compris entre <B>7500</B> et 12000 ampères. La densité de cou rant préférable dans une cuve ayant la sec tion transversale .d'électrolyte précité est donc de 9530 ampères par mètre carré avec une valeur minimum admise d'environ 8395 am pères et une valeur maximum d'environ 13455 ampères par mètre .carré. Avec la den sité de courant préférée indiquée, la force électromotrice totale entre les bornes de la cuve peut être d'environ 6 volts.
La couche d'aluminium flottant sur le bain ou électrolyte en fusion doit être suffisam ment étendue pour venir en contact avec la croûte environnante de la cuve tout autour de son périmètre; elle doit être suffisamment épaisse pour assurer un bon contact avec la dite croûte, afin d'empêcher ou de diminuer la volatilisation @du bain, volatilisation qui se produit dans une .mesure plus ou moins grande aux températures de travail et qui augmente lorsque la. température s'élève.
Par suite de la tension superficielle de l'alumi nium en fusion, la couche supérieure peut avoir une épaisseur appréciable et il est par suite désirable de maintenir à tout moment une épaisseur .d'au moins 50 millimètres.
Tant que la teneur en aluminium de l'alliage-anode n'est pas notablement infé rieure à 10 pour cent en poids, on n'éprouve aucune difficulté habituellement pour obte nir un métal-cathode ayant une pureté telle qu'il réponde aux exigences du commerce. D'autre part, comme l'allia.ge-anode s'ap pauvrit en aluminium, l'action -sélective du bain est de plLLs en plus contrariée, les im puretés de l'anode se dissolvent en quantité croissante et une quantité de plus en plus grande de ces impuretés se dépose sur la ca thode.
Mais, en enlevant l'alliage appauvri et en lui substituant de l'a'llia'ge frais toutes les fois que la teneur en aluminium est tom bée à une valeur trop faible, la plus grande partie de ce métal peut être obtenue à l'état de très grande pureté. L'alliage appauvri peut être utilisé de toute manière avanta geuse pour rendre le cuivre utilisable à nou veau, l'alliage peut être envoyé :dans un four de raffinage du cuivre :dans lequel la plus brande partie du fer, du titane et du silicium restant dans l'alliage peut être extraite par le procédé habituel d'oxydation et d'élimina tion des scories. Lorsque ces impuretés :
ont en faible quantité, l'alliage peut aussi être dilué dans de l'aluminium impur (tel que. par exemple, l'aluminium obtenu par le pro cédé Hall) et être renvoyé ensuite à la cuva-. Si l'on peut se procurer commodément<B>de</B> l'aluminium impur fondu, on peut placer l'alliage appauvri dans un creuset contenant la quantité voulue d'aluminium fondu, agi ter soigneusement le mélange et le renvoyF r rapidement à. la cuve clé- telle manière que l'opération d'affi.nabe se poursuive avec l'u tilisation du même cuivre.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à ce qui est décrit et représenté, mais qu'elle peut être mise en oeuvre ,de di verses autres manières sans que son économie se trouve modifiée.