CH361923A - Procédé de fabrication de l'aluminium - Google Patents

Procédé de fabrication de l'aluminium

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CH361923A
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Perieres Rene
Ruelle Louis
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Pechiney Prod Chimiques Sa
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00Obtaining aluminium
    • C22B21/0038Obtaining aluminium by other processes
    • C22B21/0053Obtaining aluminium by other processes from other aluminium compounds

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Description


  Procédé de     fabrication    de     l'aluminium       On sait que le nitrure d'aluminium peut être dis  socié à température élevée suivant l'équation  
EMI0001.0003     
  
    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  
EMI0001.0007     
    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  
EMI0001.0021     
  
    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  
EMI0001.0029     
  
    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  
EMI0002.0001     
  
    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  
EMI0003.0019     
  
    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.  
EMI0004.0018     
    atteint 84,3 %. Il peut atteindre 86,7 % par extrac  tion ultérieure de l'aluminium du carbure que ren  ferment les concrétions carbonitrurées.

Claims (1)

  1. REVENDICATION I Procédé de fabrication de l'aluminium par décom position du nitrure d'aluminium contenant du car bone et de l'alumine, caractérisé en ce qu'on tra vaille 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 décom position d'autre part, et en arrêtant les concrétions carbonées avant la zone où l'aluminium est condensé à l'état liquide. SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé suivant la revendication I, dans lequel le nitrure d'aluminium à dissocier a une faible teneur en carbone et en alumine. 2.
    Procédé suivant la revendication I, dans lequel, lorsque le nitrure à dissocier contient a % d'alu mine et c % de carbone, ces deux teneurs sont liées par l'équation a + 7,5 c G 6,8 3. Procédé suivant la revendication I, dans lequel on dispose sur le passage des vapeurs une surface formant piège à concrétions, maintenue à une tem pérature supérieure d'environ 100 C à la tempéra ture effective de condensation de l'aluminium à la pression adoptée. 4. Procédé suivant la revendication I, dans lequel le condenseur sur lequel se dépose l'aluminium est disposé de façon à éviter tout contact entre l'alumi nium liquide condensé et les produits de dissociation du sous-oxyde A10. 5.
    Procédé suivant la revendication I, dans lequel la température du condenseur est intermédiaire entre celle où se condense AlCN et celle où se décom pose A10 à la pression utilisée. 6. Procédé suivant la sous-revendication 3, dans lequel le piège à concrétions est nettoyé périodique ment de ses concrétions de A1,C3 et AIN par sur chauffe ou diminution de la pression. 7. Procédé suivant la sous-revendication 6, dans lequel le nettoyage est précédé d'une phase de décom position du AI-IC3 contenu dans les concrétions avec condensation de l'aluminium.
    REVENDICATION II Four pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que les surfaces sont constituées par du nitrure ou carbure d'au moins un métal réfractaire. SOUS-REVENDICATION 8. Four suivant la revendication II, dans lequel les surfaces en graphite sont recouvertes d'une pein ture constituée par une poudre d'un métal réfractaire en suspension dans un liquide organique qui est ensuite transformée en carbure par chauffage.
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