Appareil pour l'extraction électrolytique de métaux légers. La présente invention a pour objet un appareil pour l'extraction électrolytique de métaux légers, notamment pour l'affinage de l'aluminium.
Cet appareil permet d'exécuter le procédé connu d'extraction des métaux légers à par tir d'un alliage ou d'une couche métallique dense et en fusion contenant le métal à ex traire, selon lequel ce dernier métal, une fois libéré par l'électrolyse, flotte sur l'électro lyte et y fonctionne comme cathode, tandis que la matière première (alliage ou couche métallique dense) forme anode.
Le métal cathodique est extrait périodi quement, tandis que l'anode est .convenable ment reconstituée soit par incorporation de métal léger impur, soit par remplacement partiel ou total de la masse anodique.
L'appareil objet de l'invention est destiné à être utilisé en formant, comme dans les dits appareils connus, une couche inférieure métallique dense contenant le métal à ex traire, formant anode, une couche du bain Halogéné formant électrolyte et une couche supérieure du métal léger libéré formant cathode flottante, ces trois couches étant en fusion et superposées. Il est caractérisé en ce qu'il présente au moins un revêtement interne en au moins trois parties super posées, dont l'une au moins est isolante, cette partie isolante séparant celles venant en con tact avec la couche inférieure et avec la couche supérieure en fusion et venant elle- même en contact avec l'électrolyte.
Le dessin annexé représente des appa reils de types connus et, à titre d'exemples, plusieurs formes d'exécution de l'appareil selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale d'un appareil connu; La fig. 2 est une vue semblable d'un autre appareil connu; La fig. 3 est une coupe schématique en élévation d'un apparail selon l'invention montrant les trois parties du revêtement; La fig. 4 est également une coupe ver ticale d'une forme d'exécution de l'appareil selon l'invention pour le raffinage de l'alu minium, et La fig. 5 est une vue semblable à la fig. 4, mais d'une autre forme d'exécution.
En référence à la fig. 1, A est une cuve électrolytique (en fer, en acier, etc.), B est un revêtement interne en matière réfrac taire, d'une seule pièce. C est la couche de métal léger fonctionnant comme cathode. D est l'alliage plus dense, contenant le métal léger et fonctionnant comme anode. E est l'électrolyte interposé entre les électrodes, à la faveur de sa densité intermédiaire com posée à cet effet.
Bien entendu, l'appareil est complété par les dispositifs accessoires usuels (amenées de courant, trou de coulée, etc.).
L'alliage-anode D est généralement dis posé sur une sole conductrice, ou mieux, contenu dans une cuvette en carbone F, dont les bords ont été jusqu'à présent tenus plus bas que la surface de l'alliage-anode.
Le revêtement latéral interne B doit iso ler électriquement la cuve métallique A et éviter toute communication électrique entre les électrodes<I>C et D.</I> De plus, il doit ré sister suffisamment 'à l'action dissolvante ou liquéfiante de l'électrolyte en fusion. Ces conditions sont des plus difficiles à réunir, notamment dans le cas du raffinage de l'aluminium.
Depuis longtemps, et spécialement pour les bains fluorés d'où l'on extrait l'alumi nium, comme on n'a pu trouver aucune ma tière isolante qui résiste convenablement aux fluorures en fusion, on a formé un revê tement interne de la cuve d'électrolyse par solidification d'une couche d'électrolyte sur les parois métalliques, au moyen d'un refroi dissement appliqué à l'extérieur, d'abord par l'air, puis par arrosage, et finalement par circulation d'eau, d'après le principe du water-jacket. Ceci est exécuté comme repré- senté à la fig. 2, où B est la. croûte isolante formée par la solidification préalable de l'électrolyte sur la paroi métallique A con venablement refroidie.
La couche C, de métal léger, s'appuie la téralement sur ce revêtement qui doit natu rellement dépasser le niveau du métal.
Le revêtement ainsi constitué présent une grande instabilité, ayant successivement tendance à s'épaissir et à s'amincir, suivant les variations du régime d'électrolyse. La surface interne de cette croûte est nécessai rement pâteuse et inconsistante, de sorte qu'elle cède et glisse plus ou moins au con tact du métal. Il en résulte des extravase- ments de bain liquide ou pâteux, des for mations %de magmas, d'excroissances, des dispersions de bain durci, etc., qui envahis sent la zone du métal affiné et causent un ensemble de perturbations et de difficultés qui altèrent et même paralysent le fonction nement normal des opérations.
Ainsi l'isolement interpolaire, par soli dification de l'électrolyte au contact de la cathode liquide et flottante, présente de grandes difficultés d'application.
De plus, avec un appareil tel que repré senté à la fig. 2, le revêtement solidifié présentant un grand développement en sur face, il n'est pas possible d'élever la tem pérature du bain notablement au-dessus de son point de fusion sans diminuer ('isole ment jusqu'à le détruire, et sans troubler la constitution même de l'appareil.
L'appareil objet de la présente invention permet de remédier aux inconvénients qui viennent d'être indiqués. Un tel appareil est représenté schématiquement à la fig. 3.
La paroi F, qui contient l'anode, est de préférence en carbone aggloméré ou en gra phite.
La paroi H, qui entoure l'électrolyte, est composée de matière isolante appropriée ou formée par de l'électrolyte solidifié.
La paroi G, qui entoure la cathode, est en carbone aggloméré ou en graphite.
<I>B B</I> représente un isolant interposé entre la cuve A et G et F. Grâce à cette disposition, le métal raf finé accumulé à l'état de couche liquide sur l'électrolyte n'est pas en contact avec une paroi électriquement neutre et à surface pâteuse et variable, formée par de l'électro lyte solidifié; il s'appuie sur deq parois fermes et consistantes, qui sont en même temps conductrices du courant et électrique ment actives.
La paroi isolante H, réduite en hauteur et ramenée plus bas que B, fig. 2, ne subit plus la pression et les influences déforman tes du bain de métal cathodique; étant pro <I>tégée en</I> dessus comme en dessous par deux autres parois solides et fixes (sauf usure), elle acquiert une stabilité satisfaisante.
L'appareil représenté à la fig. 4 com prend, d'une part, une partie des organes déjà indiqués ci-dessus, à savoir: la cuve métallique A, un revêtement réfractaire et isolant B, l'alliage-anode D contenant l'alu minium à raffiner et contenu dans la cu vette en carbone F, l'électrolyte E formant une couche liquide de densité intermédiaire et séparant les électrodes<I>C et D.</I>
D'autre part, contrairement aux dispo sitions existantes5; au lieu rd'êltre entourée d'une matière isolante, à. surface pâteuse et fuyante, la couche d'aluminium pur C, qui forme la cathode active, est contenue latéra lement dans un cadre en carbone G formant une paroi bien déterminée, de forme inva riable, indépendante de la. cuve A et qui, de plus, est conductrice. Entre ce cadre en car bone G et le bord supérieur de la cuvette F, également en carbone, est ménagé un es pace périphérique lt dans lequel est disposé un cadre métallique creux H, où circule un courant d'eau, amené et évacué par des tu bulures telles que e.
L'électrolyte en fusion, dont on a. chargé l'appareil pénètre dans l'espace la autour du cadre H. Il y est solidifié par suite du re froidissement dû à la circulation d'eau dans le cadre H et forme un anneau ou ceinture isolante ayant, dans l'exemple représenté, une section en forme de a qui sépare les deux armatures en carbone G et F. Cet anneau isolant, ainsi formé et inter calé entre les parties solides et fixes, peut être tenu hors du contact de la cathode 1i-. guide, ce qui supprime les perturbations qui se produisent autour de celle-ci lorsqu'elle est entièrement contenue par de l'électrolyte solidifié, comme représenté à la fig. 2.
Dans ce dispositif, la hauteur de la zone d'électrolyte solidifié est réduite au mini mum, ce qui rend peu importantes et même négligeables les conséquences des variations d'épaisseur dont ce genre de parois est né cessairement affecté.
Cette réduction de la surface de bain solidifié au contact de l'électrolyte en fu sion procure une économie sur l'énergie à dépenser pour maintenir l'électrolyte en fu sion. Cette même réduction de la zone soli difiée donne la possibilité de remonter faci lement et rapidement la température de l'électrolyte, quand il y a lieu, sans qu'il en résulte aucune altération de la paroi catho dique, ce qui est très important.
Uarmature G périphérique en carbone, qui est au contact de l'aluminium catho dique, sert à amener le courant à celui-ci ce qui a pour avantage de dégager l'accès du dessus de l'appareil et de la couche d'alu minium raffiné.
Cette armature G, qu'il convient de re couvrir d'une plaque métallique évidée 1, reposant sur un calage isolant 1, peut rece voir le courant par cette plaque, soit, par exemple, au moyen de goujons i, soit par une ceinture métallique g, soit de toute au tre manière appropriée.
L'appareil de<B>la;</B> fig. 4 peut recevoir tout couvercle ou fermeture mettant à vo lonté l'intérieur de l'appareil à l'abri de l'air extérieur.
Dans l'appareil représenté à la fig. 5, l'armature en carbone G est développée vers le centre de l'appareil, sous forme de calotte aplatie ou de cuvette renversée G' présen tant une large ouverture en son milieu.
L'aluminium raffiné se rassemble sous cette calotte ou coupole et s'y trouve effica cement protégé. On dispose ainsi de la même surface cathodique active que dans le cas précédent, mais la face supérieure, en con tact avec l'air, est notablement réduite. On constitue ainsi une sorte de puits J où le métal affiné s'accumule sous une plus forte épaisseur et d'où il est plus facilement puisé.
On peut naturellement établir, suivant les besoins, d'autres ouvertures au travers de la calotte G'; de même, le puits J pour rait être excentré à volonté vers un bord de l'appareil, pour être plus accessible sur une cuve de grande dimension.
Le bord intérieur du puits J, qui se trouve en contact avec l'air, est, de préfé: rence, constitué par un anneau K en matière réfractaire appropriée, comme l'alundum, c'est-à-dire en alumine très dense, ou en co rindon agglomérés.
La calotte G' est de préférence formée de graphite. Elle peut être construite en plu sieurs parties assemblées de façon variée. Il en est de même pour le cadre G, fig. 4. L'anneau If, fig. 5, pourrait s'étendre da vantage vers G ou se confondre plus ou moins avec l'isolant na, etc.
La plaque de couverture 1 est naturelle ment adaptée à la forme de la calotte G' à laquelle elle peut amener le courant de la manière déjà indiquée pour la: fig. 4.
On peut interposer une épaisseur d'iso lant thermique ni, entre la calotte G' et la plaque de couverture I, etc.
L'appareil ainsi constitué est particuliè rement approprié pour recevoir un couvercle mobile L et travailler ainsi à l'abri de l'air et des corps étrangers.
Les autres parties de l'appareil de la fig. 5 sont semblables à celles de l'appareil de la fig. 4.
Tous autres accessoires ou dispositifs auxiliaires usuels connus peuvent naturelle ment être adaptés à l'ensemble, ou mis au service du présent appareil, sans qu'il soit utile de les faire figurer ou de les décrire.
L'appareil, objet de l'invention, est mis en fonctionnement par tous moyens actuel lement connus.
Pour l'affinage de l'aluminium, étant successivement chargé en alliage-anode, en électrolyte et en aluminium pur, tous trois en bonne fusion, il peut être aussitôt mis en fonctionnement sous un régime de courant variable avec les dimensions, mais voisin de 8.000 à 10.000 ampères pour un mètre carré d'électrode unitaire.
On peut le mettre en marche sur ma tières froides par chauffage électrique interne, au moyen d'une électrode auxiliaire en carbone que l'on descend au contact de la sole, au travers de l'orifice J.
Comme alliage anodique comprenant l'a luminium à raffiner, on peut adopter l'al liage d'aluminium et de cuivre, le cuivre étant destiné à lui procurer une densité su périeure à celle de l'électrolyte. La propor tion de cuivre peut varier notablement; on peut., par exemple, utiliser les alliages com pris entre 80% d'aluminium contre 20% de cuivre et 25% d'aluminium contre 75% de cuivre. Ces proportions moyennes ne sont pas des limites. D'autres éléments, moins électropositifs que l'aluminium, peuvent être ajoutés à l'alliage-anode pour augmenter sa densité ou sa. fusibilité.
Lorsque l'alliage-anode ne contient plus assez d'aluminium, il en reçoit une charge nouvelle, par exemple par le moyen d'un tube plongeur en graphite ou il est évacué par un trou de coulée inférieur o et rem placé par une masse d'alliage nouveau que l'on introduit, à l'état fondu, au moyen d'un même tube en graphite traversant pareille ment la couche de métal raffiné.
L'électrolyte est, de préférence, à base de cryolithe; il contient une faible teneur en alumine, un certain supplément de fluo- rure d'aluminium et surtout de fluorure de baryum, jusqu'à obtention d'une densité de bain E, supérieure à celle de l'aluminium raffiné C.
Ces compositions diverses, pour densités relatives appropriées de l'alliage-anode et du bain sont variables et sont déjà- connues en l'espèce. Il en est de même en ce qui con cerne la composition et les opérations de remplacement de l'alliage-anode. L'appareil décrit est plus spécialement destiné au raffinage de l'aluminium, mais il peut aussi être appliqué à l'extraction ou au raffinage d'autres métaux légers.