Procédé de fabrication de l'aluminium On sait que le nitrure d'aluminium peut être dis socié à température élevée suivant l'équation
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2 <SEP> AIN <SEP> = <SEP> 2 <SEP> A1 <SEP> + <SEP> Nz
<tb> solide <SEP> gaz On a déjà proposé de fabriquer de l'aluminium en utilisant cette réaction et en condensant la vapeur d'aluminium obtenue; mais en pratique, ce procédé n'a pas pu se développer industriellement, car on recueillait de l'aluminium très impur souillé de nitrure et de carbure d'aluminium ainsi que d'alu mine. D'autre part, une partie du métal se trouvait à l'état très divisé et de ce fait difficile à récupérer.
Le rendement en aluminium de qualité commerciale était donc médiocre, ce qui enlevait toute valeur industrielle au procédé.
La présente invention permet d'éviter ces incon vénients.
La dissociation du nitrure d'aluminium commence au-dessus de 2200 C sous la pression d'une atmo sphère ; il y a donc intérêt à opérer sous vide ; les recherches ont permis d'établir une formule appro chée reliant la pression totale de dissociation à la température
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Dans cette formule, p représente la pression en milli mètres de mercure et T la température absolue en degrés Kelvin. Le logarithme est à base 10.
Le présent procédé de fabrication de l'aluminium par décomposition du nitrure d'aluminium, conte nant du carbone et de l'aluminium est donc carac térisé en ce qu'on travaille à une pression inférieure ou égale à 40 mm de mercure et à une température inférieure ou égale à 2000 degrés centigrades, en évitant, tout contact entre du carbone d'une part, le nitrure et les gaz de décomposition d'autre part, et en arrêtant les, concrétions carbonées avant la zone où l'aluminium est condensé à l'état liquide.
Lors de la décomposition sous vide du nitrure d'aluminium le cyanure AICN se forme gazeux par simple contact entre AIN et le carbone aux tempé ratures supérieures à 15000 C.
Or le nitrure d'aluminium technique préparé par action de l'azote sur un mélange d'alumine et de carbone contient toujours un peu de carbone et d'alumine.
Il est donc avantageux à utiliser, pour la disso ciation, un nitrure d'aluminum contenant le moins possible de carbone et à éliminer tout contact entre le carbone et le nitrure à dissocier pour éviter la formation d'AICN, car le cyanure d'aluminium monovalent réagit ensuite avec l'aluminium gazeux au cours du refroidissement, suivant l'équation
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3 <SEP> AICN <SEP> + <SEP> 4 <SEP> Al <SEP> = <SEP> A14q <SEP> + <SEP> 3 <SEP> AIN
<tb> gaz <SEP> gaz en provoquant la formation de dépôts carbonitrurés sous forme de concrétions brunes très dures,
qui représentent une perte pondérale de 5,25 points d'aluminium par point de carbone. Il n'est donc pas possible d'obtenir un rendement en aluminium satis faisant lorsque le nitrure à dissocier contient du car bone en quantité appréciable.
Les recherches ont montré qu'il existe une autre cause de formation du cyanure d'aluminium mono valent AICN par action du sous-oxyde A40 à l'état de vapeur sur le carbone en présence d'azote sui vant l'équation
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A120+3 <SEP> C+Nz=2 <SEP> AICN+CO
<tb> gaz <SEP> gaz Cet AICN absorbe également de l'aluminium pour former des concrétions de A14C3 et AIN.
Comme il a été indiqué plus haut, le nitrure technique contient avec le carbone un peu d'alu- mine qui se transforme en A10 au cours de l'opéra tion de dissociation du nitrure aux dépens de l'alu minium libéré, suivant l'équation
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A120;3 <SEP> + <SEP> 4 <SEP> Al <SEP> = <SEP> 3 <SEP> Ah0
<tb> gaz <SEP> gaz Il convient donc d'utiliser pour la dissociation du nitrure d'aluminium aussi pauvre que possible en alumine si on veut obtenir un rendement élevé.
Il est donc également avantageux d'éviter que la vapeur d'AL0 puisse venir en contact avec le carbone, donc autant que possible proscrire cette matière dans la construction du four dans les zones où la température dépasse 15000 C.
Le sous-oxyde A120 se décompose par refroidis sement en Al très divisé, figé dans un réseau solide d'alumine. Même en l'absence de toute paroi ou résistance en carbone, il y a donc intérêt à limiter autant que possible la teneur en alumine de nitrure d'aluminium.
Malgré toutes les précautions que l'on peut pren dre, le nitrure technique contient toujours un peu de carbone et d'alumine.
Lors de la préparation de l'aluminium par disso ciation sous vide, à température élevée, du nitrure AIN, on se trouve donc en présence d'un mélange de vapeurs d'aluminium, contenant un peu de cya nure AICN et de sous-oxyde A120.
Il est préférable d'obtenir un condensat qui puisse s'éliminer liquide de façon à avoir un fonctionne ment continu. Les recherches ont montré que, pour que le métal puisse couler, lorsque l'on condense ensemble toutes les vapeurs produites par la disso ciation du nitrure, ce dernier devait, de préférence, en l'absence d'alumine, renfermer moins de 0,9 % de carbone, et en l'absence de carbone moins de 6,8 % d'alumine.
Lorsqu'il contient à la fois a % d'alumine et c % de carbone, ces deux teneurs doi vent, de préférence, être liées par l'équation a + 7,5 c C 6,8 ('\) Ceci en supposant que l'alumine se transporte inté gralement au condensateur par l'intermédiaire d'A120 sans rencontrer de surface en carbone à température supérieure à 15000 C.
Il est facile d'effectuer ensuite la séparation du métal des crasses de carbure, nitrure et alumine qu'il renferme par un moyen connu.
Il est cependant possible de recueillir directement le métal pur commercial liquide, exempt de crasses, en évitant la séparation précédente et cela aussi bien pour un nitrure à faible teneur en carbone et alumine (A1203 + C inférieur à 0,5 % par exemple) que pour un nitrure dont les teneurs en alumine et carbone ne satisfont pas à l'inégalité précédente ('i ).
Les recherches ont en effet montré que sous un vide déterminé il était possible 1o d'arrêter les vapeurs d'AICN à une température plus élevée que la température de condensation des vapeurs d'aluminium ; 20 de condenser l'aluminium à une température supérieure au point de transformation des vapeurs d'A1.0 en A1,03 + AI.
Il est en effet difficile d'obtenir un nitrure tech nique aussi pur et on peut préférer, pour des raisons économiques, travailler sur un produit renfermant plus de carbone et d'alumine.
Il convient donc de disposer sur le passage des vapeurs une surface dont la température est réglée de façon à arrêter AICN sous forme de concrétions solides de AIN et A14C3, alors que les vapeurs d'alu minium restent à l'état gazeux.
Par exemple, sous un vide de 0,5 mm, la surface formant piège pour AICN sera maintenue entre 1400 et 1500 C, alors que les vapeurs d'aluminium seront condensées entre 1200 et l.300 C.
Les vapeurs d'Al.0 ne se transforment en A1\,0.; et A1 qu'à une température sensiblement plus basse, par exemple 1000-1200e C sous 0,5 mm.
L'écart entre la température de condensation de l'aluminium d'une part, les températures de trans formations de AICN et A120 d'autre part, demeure sensiblement constant tout au long de l'échelle des températures. Par rapport à la pression de 0,5 mm il y a simplement une baisse de l'ensemble des tem pératures de 100e si la pression s'abaisse à 0,1 mm et une hausse de 400e si elle s'élève jusqu'à 40 mm. Ces trois zones à températures décroissantes pour la condensation fractionnée de AICN, Al et Al.>O peuvent se trouver successivement le long d'un même conduit dans le sens de circulation des vapeurs.
Dans ce cas, il convient d'éviter que l'aluminium con densé liquide sur les parois du conduit vienne en contact avec le mélange d'AI_,03 et A1 très divisé résultant de la condensation de A1,0.
On peut donc introduire dans la zone de conden sation des vapeurs d'aluminium un condenseur d'un type connu, par exemple un condenseur à métal liquide (nappe ou bain d'aluminium de préférence) dont la température de surface, réglée par un moyen connu (circulation d'eau par exemple) est intermé diaire entre les températures de condensation de AICN et AI,O. L'aluminium se condense seul et coule à l'état liquide sans toucher les parois ; ainsi con densé à l'état compact ou liquide il ne se recombine pas avec l'azote.
La nécessité d'éviter la présence du carbone dans toutes les parties du four de dissociation où la tem pérature dépasse 1500 C est très gênante, car le gra phite est un réfractaire de choix, bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. On a donc cherché un procédé de protection du graphite permettant de l'uti liser dans le four de dissociation sans risquer la for mation de cyanure d'aluminium monovalent. On a constaté que les carbures et nitrures réfractaires à haute température et en particulier ceux de tungstène, molybdène, tantale, titane, zirconium, seuls ou en mélange, ne sont pas attaqués par le nitrure d'alu- minium aux températures de dissociation de ce corps ; ils sont inertes également en présence des vapeurs contenant ALO qui résultent de la dissocia tion.
On pourrait donc utiliser ces matériaux pour construire le four, mais le poids et le prix en seraient élevés.
On peut réaliser une peinture ou barbotine }> applicable à la brosse en effectuant la mise en sus pension de poudre de métal, carbure ou nitrure réfractaire (W, Mo, Ta, etc.) dans un liquide orga nique susceptible de laisser au séchage, puis à la cuisson, un squelette carboné (vernis ou colles liqui des, par exemple dissolution alcoolique de gomme laque, dissolution aqueuse de gomme arabique, colles à la farine, etc.).
On obtient, par exemple, une excel lente peinture au tungstène en délayant - tungstène pulvérulent ................... ............... . 100g - dans dissolution alcoolique de gomme laque<B>-----------------</B> .<B>----------------</B> -...... ...... .
............. <B>50g</B> Après séchage à température ordinaire, la cuis son sous vide à température supérieure à 1000 C et de préférence entre 1500 et 1800 C assure, par car buration du tungstène, le durcissement superficiel du graphite, une imperméabilisation relative et une excellente résistance à l'abrasion mécanique et à la corrosion chimique par AIN ou A1,0.
La partie du condenseur où se condense l'alumi nium ne doit pas contaminer le métal liquide ; le nitrure d'aluminium aggloméré convient parfaitement.
La surface formant piège pour les vapeurs de AICN peut être en graphite nu.
Lorsque les concrétions de A14C;; et AIN prove nant de la destruction de AICN s'accumulent sur le piège au point de gêner le fonctionnement de l'appa reil, il est en général nécessaire d'interrompre l'opé ration pour nettoyer la surface formant piège. On peut réaliser ce nettoyage par arrachement méca nique, mais on a constaté que la réaction de conden sation des concrétions carbonitrurés à partir de AICN et Al était réversible.
A température élevée ou sous un vide très poussé, on a
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Al <SEP> @G; <SEP> + <SEP> 3 <SEP> AIN <SEP> = <SEP> 3 <SEP> AICN <SEP> + <SEP> 4 <SEP> Al
<tb> gaz <SEP> gaz Un procédé de nettoyage qui convient parfaitement consiste à porter la température de la surface piège à 1700 C par exemple sous une pression de 0,5 mm de mercure ; les concrétions disparaissent et AICN et AI peuvent être évacués et captés sans ouvrir l'appa reil, après avoir seulement changé de condenseur.
Avant de procéder au nettoyage décrit ci-dessus, on peut récupérer l'aluminium contenu dans le car bure AI@C.j, en abaissant la pression au voisinage de 0,1 mm de mercure. Cet aluminium peut être recueilli sur le condenseur habituel et il reste sur le piège un mélange de AIN et de carbone. On a avantage alors à élever la température à 1700 C pour recueillir le AICN reformé sur un condenseur spécial.
Le mélange d'alumine et d'aluminium résultant de la décomposition d'AL0 peut être recueilli sur une chemise amovible et traité par des moyens connus.
Les diverses concrétions peuvent, après ou sans extraction de l'aluminium récupérable, être renvoyées au four de nitruration après addition éventuelle de la quantité convenable de carbone.
Le mélange de A103 et Al, provenant de la con densation de AhO, pourra être traité ultérieurement pour récupérer l'aluminium et améliorer le ren dement. On peut aussi dissocier du nitrure contenant par exemple 2 % de carbone et 6,8 % d'alumine, en utilisant le piège à AICN, mais en condensant A120 avec A1 sur le condenseur. Ce condensai coule à l'état liquide.
On peut récupérer ensuite la majeure partie du métal combiné au carbone dans les concrétions car- bonitrurées par les moyens indiqués ci-dessus.
Lorsqu'on utilise la totalité des dispositifs décrits plus haut, on peut traiter un nitrure plus riche en alumine et carbone, tout en condensant l'aluminium à l'état liquide ; le rendement est évidemment d'au tant plus bas que les teneurs en alumine et carbone sont plus élevées.
Les conditions économiques : prix de revient du nitrure de départ et prix de revient de la récupéra tion de l'aluminium contenu dans les concrétions ou le mélange A1;03 + Al provenant de la dissociation de A1.,0, permettent seules de choisir les conditions les plus avantageuses.
Les fig. 1 et 2 ci-jointes représentent deux for mes d'exécution de fours représentés en coupe, per mettant de fabriquer de l'aluminium commercial par dissociation thermique sous vide du nitrure d'alu minium.
Dans la fig. 1, le chiffre 1 indique le tuyau de chargement du nitrure, 2 est l'enveloppe étanche au vide en acier, 3 le garnissage calorifuge qui peut être du coke de pétrole en grains, 4 est un creuset en graphite recouvert intérieurement et extérieurement de carbure de molybdène par le procédé décrit ci-dessus.
Ce creuset contient la charge de nitrure à dissocier qui est portée à la température choisie par un corps de chauffage axial 5 pénétrant à l'intérieur du nitrure, ce corps de chauffage est en graphite entièrement recouvert de carbure de molybdène, 6 est une chambre de chauffe contenant des résistances 7 permettant de porter à la température choisie la surface 8 du piège à concrétions en graphite, 9 est le condenseur refroidi à l'eau dont la partie supé rieure 10 est en nitrure d'aluminium, 11 est le con duit des vapeurs en nitrure d'aluminium aggloméré sur lequel se décomposent les vapeurs de A120 ; 12 est la prise de vide. L'aluminium qui se condense à l'état liquide en 10 est recueilli en 13.
La fig. 2 présente la même disposition générale que la fi- . 1, mais le chauffage du creuset 4 conte nant le nitrure à dissocier est réalisé par induction grâce aux enroulements 15, le secondaire étant cons- titué par le cylindre en graphite 17 protégé intérieu rement par une couche de carbure de molybdène. Le double piège à concrétions 14 est constitué par des plaques de graphite comportant des trous pour laisser passer les vapeurs. Ce piège est également chauffé par induction grâce à l'enroulement 16.
<I>Exemple</I> Dans le creuset 4 de la fig. 2, on introduit par le tube 1 cent kg de nitrure d'aluminium technique contenant 93,5 % NAl, 6 % d'AL03 et 0,5 % de carbone. On fait le vide dans le four jusqu'à environ 0,5 mm de mercure et on chauffe par l'enroulement 15, de façon à porter le nitrure à dissocier à environ 1700o C.
Le double piège 14 est chauffé par l'enroulement 16 entre 1400 et 1500o C, la partie supérieure 10 du condenseur est à 1200-1300 et la paroi 11 du con duit des vapeurs à 1000-1200 .
Le piège 14 à AICN arrête environ 3,7 kg de concrétions de A1-IC3 + AIN, les vapeurs d'alumi nium se condensent en 10 à l'état liquide et le métal tombe en 13 sans toucher la paroi 11 sur laquelle s'est décomposé ALO en constituant un dépôt solide d'alumine et d'aiuminium très divisé (environ <B>13,1</B> kg).
Le métal ainsi recueilli, 51,9 kg environ, con tient plus de 99,7 % d'aluminium, avec comme impuretés Fe = 0,18 Si = 0,04 C'est donc un excellent aluminium de qualité com merciale.
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atteint 84,3 %. Il peut atteindre 86,7 % par extrac tion ultérieure de l'aluminium du carbure que ren ferment les concrétions carbonitrurées.