Procédé pour la production électrolytique d'aluminium. La présente invention se rapporte â un procédé pour la production d'aluminium métallique par réduction électrolytique d'alu mine (oxyde d'aluminium, A1 0<B>)</B>; comme dans le procédé Hall actuellement d'un emploi étendu dans les Etats-Unis d'Amérique et dans d'autres pays. Dans les procédés de ce genre, l'alumine est réduite dans un bain fondu ou électrolyte consistant essentielle ment en fluorures d'aluminium et de sodium, et la pureté du métal obtenu dépend, parmi d'autres choses, de la pureté du bain et de l'alumine.
II est par conséquent impossible d'utiliser de l'alumine brute, si l'on désire obtenir un produit commercialement pur, et il a été de pratique universelle d'obtenir l'alumine pure nécessaire par le traitement chimique de la bauxite, en produisant de l'hydrate d'aluminium, qui est ensuite dès hydraté par calcination. Des .essais ont été faits, certains d'entre eux avec un grand soin, en vue d'utiliser dans le procédé Hall de l'alumine obtenue en réduisant les autres oxç-de., tels que par exemple les oxydes de fer, de titanium et de silicium, que l'on trouve habituellement associés avec des composés d'aluminium dans la nature, et séparant les métaux formés.
On a obtenu un produit possédant apparemment une pureté suffisante, mais, lorsqu'on l'a utilisé dans les cuves d'électrolyse, le procédé de réduction électrolytique devenait rapidement irréalisable en pratique â un degré tel que les cuves d'électrolyse devaient être mises hors fonctionnement. L'effet principal pouvant être observé était une élévation prononcée de la température, atteignant rapidement un point auquel la cuve d'électrolyse rie fonctionnait plus. La cause de cet inconvénient n'était pas connue, mais on supposait qu'elle résidait dans la présence de faibles quantités de titanium dans l'alumine, que l'on supposait faire épaissir le bain et le faire devenir pâteux.
Les inventeurs ont constaté que l'alumine produite par la méthode de réduction électro- thermique possède une densité plus grande que celle obtenue par la méthode habituelle par voie chimique. Si les deux ont la même pureté, elles ont toutes deux la même densité lorsqu'elles sont fondues, à savoir environ 3,84 grammes par centimètre cube, ce qui est une densité considérablement plus grande que celle de l'aluminium fondu ou du bain de cryolite habituellement employé dans le procédé Hall. La densité apparemment plus faible de l'alumine produite par la méthode chimique est due à la nature physique des particules.
Celles-ci paraissent être poreuses, probablement par suite du dégagement de l'eau de cristallisation lors de la calcination de l'hydrate d'aluminium, laissant ainsi les particules -poreuses jusqu'à titi degré corres pondant, au moins grossièrement, à la quan tité d'eau dégagée. Il a également été observé que la dissolution de l'alumine dans le bain de cryolite fondue n'est pas aussi rapide qu'on l'avait cru, et par suite que l'addition des particules d'alumine dans le bain n'était pas toujours suivie par une dissolution immédiate de celles-ci.
Ainsi, les .particules pourraient peut être rester non dissoutes pendant un temps suffisamment long pour que certaines d'entre elles puissent s'unir pour former des particules ou ruasses plus grandes. Dans l'un ou l'autre cas, le temps nécessaire pour la dissolution pourrait permettre aux particules non dissoutes de tomber à travers le bain jusqu'à l'aluminium fondu, formant cathode, disposé par-dessous, et ensuite continuer à descendre à travers l'aluminium jusqu'au fond de la cuve d'électrolyse.
Si tel était le cas, l'accumulation résultante d'alumine en-dessous (le l'aluminium accroîtrait la résistance au passage du courant entre l'aluminium et le fond en carbone de la cuve d'électrolyse. Ceci augmenterait non seulement la tempé rature du contenu de la cuve, mais pourrait également provoquer la formation de carbure d'aluminium, ce qui contaminerait le bain et rendrait difficile, pour d'autres raisons, le fonctionnement de la cuve.
Pour éviter que ceci se produise, confor mément à l'invention, on pulvérise finement l'alumine et on l'ajoute peu à peu dans le bain de façon à permettre aux particules d'alumine de rester cri suspension dans le bain en fusion jusqu'à ce qu'elles soient dissoutes. On a constaté que la présence inévitable ou difficilement évitable de faibles quantités des impuretés habituelles, à savoir les oxydes de fer et de titanium et la silice, ou de certaines de ces impuretés, n'est pas préjudiciable.
Il a été constaté que si de. l'alumine, solidifiée 'à partir de l'état fondu et contenant les impuretés mentionnées, est broyée si finement que toutes les particules puissent passer à travers titi- tamis ayant approxima tivement 34 mailles par, centimètre, cette alumine peut être utilisée dans le procédé selon l'invention.
Lorsqu'on utilise des parti cules d'une telle finesse, le fonctionnement convenable de la cuve d'électrolyse n'est pas gêné, la température peut être maintenue dans les limites nécessaires, et on n'observe aucune formation sensible de carbure d'alu minium. On peut, si on le désire, mélanger l'alumine finement broyée avec plus ou moins d'alumine ordinaire calcinée. L'avantage de ce mode opératoire a pour résultat de dimi nuer la concentration des impuretés dans le bain et par conséquent le dépôt de celles-ci à la cathode.
L'alumine peut être obtenue à partir de bauxite ou autre matière à base d'alumine rencontrée dans la nature, par toute méthode appropriée. L'alumine peut être broyée ou être autrement finement divisée par un moyen quelconque, comme par exemple titi broyeur à boulets. L'électrolyse peut être réalisée, de la manière habituelle, dans une cuve ou élément électrolytique Hall du type habituel, en utilisant des anodes en carbone.
Le broyage de l'alumine est de préférence poussé suffisamment loin pour être certain que sensiblement toutes les particules seront assez fines pour pouvoir passer à travers un tamis à 34 mailles, ou un tamis dont les maillés ne sont pas beaucoup plus grossières. En tout cas, l'alumine broyée ou finement divisée sera suffisamment fine pour être maintenue en suspension dans les conditions d'ébullition et de circulation rencontrées dans l'électrolyte, de sorte que les particules ne dissoudront dans le bain avant qu'elles aient eu le temps de tomber jusqu'au fond de la clive.
L'agitation et la circulation du contenu de la cave sont dues au dégagement d'oxyde de carbone ou d'anhyd-rïde carbonique aux anodes en carbone et aux effets électromagné tiques du champ, effets produits par le cou rant dans les barres collectrices et autres parties adjacentes du circuit extérieur, sur l'électrolyte et l'aluminium qui, étant à l'état fondu, sont en réalité composés de conducteurs mobiles. Comme ces facteurs varient, il peut être possible d'utiliser une matière broyée beaucoup plus grossièrement qu'à une finesse de 34 mailles, ou bien au contraire il peut être avantageux de broyer la matière encore plus finement, comme on le comprendra facilement.
II n'y a pas lieu de croire qu'on ne doit laisser tomber absolu ment aucune particule de matière jusqu'au fond de la cuve. Une faible quantité ne cause ordinairement pas grand mal, l'accroisse ment résultant de température, s'il s'en produit, étant relativement trop faible pour pouvoir affecter sérieusement le fonctionne ment de la cuve d'électrolyse.
Au fur et à mesure que l'électrolyse avance, on introduit de l'alumine addition nelle finement divisée dans la cuve, de temps en temps ou d'une manière plus ou moins continue, de préférence en des quantités suffisantes pour empêcher l'appauvrissement du bain.
Process for the electrolytic production of aluminum. The present invention relates to a process for the production of metallic aluminum by electrolytic reduction of alumina (aluminum oxide, Al 0 <B>) </B>; as in the Hall process now widely used in the United States of America and other countries. In such processes, the alumina is reduced in a molten bath or electrolyte consisting essentially of aluminum and sodium fluorides, and the purity of the metal obtained depends, among other things, on the purity of the bath and alumina.
It is therefore impossible to use crude alumina, if a commercially pure product is desired, and it has been a universal practice to obtain the pure alumina required by the chemical treatment of bauxite, producing aluminum hydrate, which is then hydrated by calcination. Tests have been made, some of them with great care, with a view to using in the Hall process alumina obtained by reducing the other oxides, such as for example the oxides of iron, of titanium and silicon, which are commonly found associated with aluminum compounds in nature, and separate the metals formed.
A product apparently of sufficient purity was obtained, but when used in electrolytic cells, the electrolytic reduction process quickly became impractical in practice to such an extent that electrolytic cells had to be put into practice. out of operation. The main effect that could be observed was a pronounced rise in temperature, quickly reaching a point at which the electrolytic cell was no longer functioning. The cause of this inconvenience was not known, but it was believed to be the presence of small amounts of titanium in the alumina, which was supposed to thicken the bath and make it pasty.
The inventors have found that the alumina produced by the electro-thermal reduction method has a greater density than that obtained by the usual chemical method. While both are of the same purity, they both have the same specific gravity when melted, namely about 3.84 grams per cubic centimeter, which is a considerably greater density than that of molten aluminum or the bath. of cryolite usually used in the Hall process. The apparently lower density of alumina produced by the chemical method is due to the physical nature of the particles.
These appear to be porous, probably as a result of the evolution of water of crystallization during the calcination of the aluminum hydrate, thus leaving the particles -porous to a degree corresponding, at least roughly, to the size. quan tity of water released. It has also been observed that the dissolution of the alumina in the molten cryolite bath is not as rapid as had been believed, and therefore the addition of the alumina particles to the bath was not not always followed by an immediate dissolution of these.
Thus, the particles could perhaps remain undissolved for a time long enough that some of them could unite to form larger particles or masses. In either case, the time required for dissolution could allow the undissolved particles to fall through the bath to the molten aluminum, forming the cathode, disposed below, and then continue to descend to. through the aluminum to the bottom of the electrolytic cell.
If this were the case, the resulting buildup of alumina below (the aluminum would increase the resistance to current flow between the aluminum and the carbon bottom of the electrolytic cell. This would not only increase the temperature. may erase the contents of the tank, but could also cause the formation of aluminum carbide, which would contaminate the bath and make it difficult for other reasons to operate the tank.
In order to prevent this from happening, in accordance with the invention, the alumina is finely pulverized and gradually added to the bath so as to allow the alumina particles to remain suspended in the molten bath until 'until they are dissolved. It has been found that the unavoidable or difficult to avoid presence of small amounts of the usual impurities, namely the oxides of iron and titanium and silica, or of some of these impurities, is not detrimental.
It was found that if from. the alumina, solidified from the molten state and containing the mentioned impurities, is ground so finely that all the particles can pass through a screen having approximately 34 meshes per centimeter, this alumina can be used in the method according to the invention.
When using particles of such fineness, the proper functioning of the electrolytic cell is not hampered, the temperature can be kept within the necessary limits, and no appreciable formation of carbon dioxide is observed. aluminum. If desired, the finely ground alumina can be mixed with more or less calcined ordinary alumina. The advantage of this procedure results in decreasing the concentration of impurities in the bath and consequently the deposition of these at the cathode.
Alumina can be obtained from bauxite or other alumina-based material encountered in nature, by any suitable method. The alumina can be ground or otherwise finely divided by any means, such as, for example, a ball mill. The electrolysis can be carried out, in the usual way, in a cell or Hall electrolytic element of the usual type, using carbon anodes.
The grinding of the alumina is preferably carried out far enough to be certain that substantially all of the particles will be fine enough to pass through a 34 mesh sieve, or a sieve with not much coarser mesh. In any case, the ground or finely divided alumina will be fine enough to be kept in suspension under the boiling and circulating conditions encountered in the electrolyte, so that the particles will not dissolve in the bath before they have had. time to fall to the bottom of the clive.
The agitation and circulation of the contents of the cellar are due to the release of carbon monoxide or carbon dioxide from the carbon anodes and to the electromagnetic effects of the field, effects produced by the current in the bus bars and other adjacent parts of the external circuit, on the electrolyte and the aluminum which, being in the molten state, are in reality composed of moving conductors. As these factors vary, it may be possible to use a material much coarser than a 34 mesh fineness, or on the contrary it may be advantageous to grind the material even more finely, as will be readily understood.
There is no reason to believe that absolutely no particle of matter should be dropped to the bottom of the vessel. A small amount usually does not cause great harm, the resulting increase in temperature, if any, being relatively too small to seriously affect the operation of the electrolytic cell.
As the electrolysis proceeds, additional finely divided alumina is introduced into the vessel from time to time or in a more or less continuous manner, preferably in amounts sufficient to prevent depletion. of the bath.