Procédé de fabrication d'un mélange d'aluminium et de carbure d'aluminium On sait que la réduction de l'alumine par le car bone ne permet d'obtenir qu'un mélange d'aluminium et de carbure d'aluminium, qui contient encore de grandes quantités d'alumine, environ 20 à 50 % ; de plus les pertes par volatilisation sont considéra bles.
La réduction de l'alumine par le carbone, qui commence déjà à 1700,) C, n'est pas complète parce que la viscosité des mélanges fondus obtenus aug mente fortement ; ces fusions sont riches en oxy-car- bure d'aluminium, de formule 4A1203.A14C3 ou A1404C L'invention a pour but de favoriser la réduction de l'alumine. Elle a pour objet un procédé d'obten tion d'un mélange d'aluminium et de carbure d'alu minium, avec une faible teneur en oxyde d'alumi nium,
par réduction de l'oxyde d'aluminium par le carbone, caractérisé en ce qu'on chauffe un mélange d'oxyde d'aluminium et de carbone, dans un four électrique à arc, à une température au moins égale à celle à laquelle le carbure d'aluminium, obtenu par réaction du carbone avec l'oxyde d'aluminium, réa git avec l'oxyde d'aluminium selon la réaction
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A14C;; <SEP> + <SEP> A120., <SEP> 6A1 <SEP> + <SEP> 3C0 Une telle température est d'ordinaire supérieure à environ 2300(l C.
De préférence, on chauffera le mélange d'alumine et de carbone, introduit dans le four électrique à arc, à température comprise entre 2400e C et 2500a C. Toutefois, il est indiqué de maintenir le mélange d'aluminium et de carbure d'aluminium à température inférieure à celle de dé composition du carbure d'aluminium y contenu, dé composition se faisant selon l'équation A14Cg = 4A1 + 3C En effet, dans le cas contraire, l'aluminium tend à s'échapper sous forme de gaz, en laissant un résidu de carbone en gros cristaux de graphite, formant une couche très poreuse.
Les vapeurs d'Alz0, produit intermédiaire de la réduction, qui pénètrent dans la couche de graphite, sont immédiatement réduites. Celles qui s'échappent vers le haut, avec une partie des vapeurs d'alumi nium, se condensent dans les régions à plus basse température ou sur les éléments de la charge, où elles se décomposent suivant
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3A120 <SEP> -> <SEP> <B>A1203</B> <SEP> + <SEP> 4A1 et rentrent ensuite dans le cycle. Le CO s'échappe à la partie supérieure.
La figure jointe représente schématiquement et à titre d'exemple un four électrique à arc muni de son électrode 1 et d'une sole conductrice 2 ; 3 est le mé lange alumine-charbon qui peut être constitué d'ag glomérés mixtes de composition variable ou d'élé ments séparés : alumine et coke par exemple, on peut également remplacer le coke par toute autre matière carbonée. L'alumine peut être du corindon artificiel fabriqué à partir de la bauxite, de l'alumine com merciale ou toute autre espèce d'alumine.
Lorsque le four est en régime, l'arc 4 est stable, à cause de l'ionisation due à la présence de vapeur d'aluminium ; il existe autour de la partie inférieure de l'électrode une zone vide 5, délimitée par les pa rois de l'électrode et une couche d'autogarnissage 6, composée de matières partiellement transformées ; le tout est entouré de calorifuge 10. 8 est le mélange A14q et aluminium obtenu ; 9 représente des gouttes formées par la condensation des vapeurs d'A120 et d'Al.
On obtient en 8 un mélange A14C3 + A1 dont la teneur en alumine peut être inférieure à 0,5 %.
Le mélange d'aluminium et de carbure d'alumi nium, obtenu selon le procédé, est utilisé tout parti- culièrement pour l'obtention d'aluminium pur, par exemple par distillation sous vide ou par fusion en présence de flux.
<I>Exemple</I> Dans -un four à arc monophasé de 100 kW à sole conductrice construite en carbone amorphe, on abaisse l'électrode de 30 cm de diamètre sur une couche de coke de 3 cm et on entoure l'électrode de mélange A103 et charbon. La couche de coke tra versée par le courant agit comme un résistor à l'aide duquel on préchauffe le four pendant une heure. Ensuite on chauffe à l'arc sous 25 volts de tension et 4000 ampères. L'arc a une longueur de 2 cm en viron et il est étendu sur toute la section de l'élec trode, parce que la phase gazeuse est très. conductrice à cause de sa grande teneur en aluminium métallique.
Avec un tel four on produit à peu près 3 kg d'alliage liquide A1 et A1403 par heure. La hauteur du bain augmente donc de 1,5 cm/heure. On vérifie la montée du bain à l'aide d'un index solidaire du câble de l'électrode se déplaçant devant une réglette graduée en centimètres. 3 kg d'alliage correspondent théoriquement à 7 kg de mélange alumine-charbon. Dans les cinq premières heures, la consommation de mélange est environ 2,5 fois plus grande que la quantité théorique.
En effet, une grande partie sert à former les croûtes d'autogarnissage.
Quand l'épaisseur des croûtes atteint 3-4 cm, la consommation du mélange ALO3 -;- C diminue et finalement s'approche de la valeur théorique.
On peut faire varier le rapport Al.03/C dans certaines limites, et, de cette manière, jouer sur la teneur en métal libre dans le produit final. On a ob tenu avec un mélange de 70 % d'A1.0; + 30 % de carbone (coke) un produit contenant ALC3 : 64 % , <B>AI:</B> 32%, C : 2,3 %, A1803 +<B>AIN:</B> 1,7 %.
On peut utiliser les matières premières en mor ceaux ou sous forme de boulets agglomérés par un liant à partir de produits finement broyés. L'épaisseur de la charge doit être au moins de 30 cm pour éviter les pertes par volatilisation. Dans le cas où la charge ne descend pas toute seule, il faut ringarder avec une baguette de graphite, Enfin, pour protéger la charge et l'électrode de la combustion à l'air, le four est muni d'un couvercle et l'électrode chemisée à l'en droit où les gaz brûlent.
Les mélanges utilisés donnaient fréquemment lieu à des accrochages et il fallait piquer avec énergie pour faire descendre sous l'électrode le mélange d'alu- mine et de carbone.
On peut faire réagir sous l'électrode M03 et A1403 à une température suffisante pour réduire ra pidement les dernières fractions d'alumine, mais sans aller jusqu'à la dissociation de A1403.
Pour obtenir ce résultat, il faut que sur toute la périphérie de l'électrode un mélange alumine-charbon de composition uniforme arrive régulièrement et con tinuellement dans la zone de l'arc, de façon à obtenir et à maintenir un équilibre entre l'énergie produite par l'arc et l'énergie nécessaire à la réaction en évi tant de ce fait les surchauffes locales qui provoquent la formation de graphite par dissociation de A1403.
On choisit donc de préférence une charge qui descende seule sous l'électrode, au fur et à mesure de sa réduction. On a obtenu de bons résultats avec un mélange de charbon de bois et de corindon en sphérules ; mais cet exemple n'est en rien limitatif et on peut employer toute autre nature de charge par exemple des agglomérés, briquettes, produits en morceaux à condition que cette charge descende seule au fur et à mesure de sa réduction.
D'autre part, on a constaté que pendant la réduc tion, il se produit parfois une certaine instabilité de l'arc électrique, des courts-circuits ou des mises en résistance partielle du four.
On a pu remédier à ces inconvénients en ajou tant dans le four, non pas le mélange habituel d'alu mine et de carbone, mais tantôt du carbone seul et tantôt de l'alumine seule jusqu'à ce que la perturba tion ait disparu.
Lorsque l'arc est instable, en même temps que le dégagement de CO diminue, il convient de rajou ter du carbone jusqu'à ce qu'on ait obtenu une sta bilité convenable des appareils de mesure et un dé gagement normal d'oxyde de carbone. Au contraire, lorsque le four marche en résistance et que l'ampé- rage augmente, le dégagement d'oxyde de carbone s'arrêtant presque complètement, il faut ajouter de l'alumine pour rétablir une bonne marche de la ré duction.
On peut supprimer donc constamment par des apports d'alumine ou de carbone les perturbations qui se produisent dans le fonctionnement du four.
On obtient ainsi un mélange d'aluminium et de carbure d'aluminium très pauvre en .alumine, avec un meilleur rendement et une consommation d'énergie plus faible.
En alimentant le four avec une charge contenant 165,3 parties de corindon en sphérules creuses pour 70,8 parties de charbon de bois on a obtenu un mé lange de carbure d'aluminium et d'aluminium conte nant ALC3 : 65,8 %, A1 : 30,4 % . A1,0.; + AIN 2,9 %, C : 0,17 %, Fe: 0,03 %.
Process for manufacturing a mixture of aluminum and aluminum carbide It is known that the reduction of alumina by carbon only makes it possible to obtain a mixture of aluminum and aluminum carbide, which contains still large amounts of alumina, about 20 to 50%; moreover, the losses by volatilization are considerable.
The reduction of alumina by carbon, which already begins at 1700 ° C, is not complete because the viscosity of the molten mixtures obtained increases sharply; these fusions are rich in aluminum oxycarbon, of formula 4A1203.A14C3 or A1404C The object of the invention is to promote the reduction of alumina. It relates to a process for obtaining a mixture of aluminum and aluminum carbide, with a low content of aluminum oxide,
by reduction of aluminum oxide with carbon, characterized in that a mixture of aluminum oxide and carbon is heated in an electric arc furnace to a temperature at least equal to that at which the aluminum carbide, obtained by reacting carbon with aluminum oxide, reacts with aluminum oxide according to the reaction
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A14C ;; <SEP> + <SEP> A120., <SEP> 6A1 <SEP> + <SEP> 3C0 Such a temperature is usually above about 2300 (l C.
Preferably, the mixture of alumina and carbon, introduced into the electric arc furnace, will be heated to a temperature of between 2400 ° C. and 2500 ° C. However, it is advisable to maintain the mixture of aluminum and aluminum carbide. at a temperature lower than that of the decomposition of the aluminum carbide contained therein, decomposition taking place according to the equation A14Cg = 4A1 + 3C In fact, otherwise, the aluminum tends to escape in the form of gas, leaving a carbon residue in large crystals of graphite, forming a very porous layer.
The vapors of Alz0, an intermediate product of the reduction, which penetrate into the graphite layer, are immediately reduced. Those which escape upwards, with part of the aluminum vapors, condense in regions with lower temperature or on the elements of the load, where they decompose according to
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3A120 <SEP> -> <SEP> <B> A1203 </B> <SEP> + <SEP> 4A1 and then enter the cycle. The CO escapes at the top.
The accompanying figure shows schematically and by way of example an electric arc furnace provided with its electrode 1 and with a conductive floor 2; 3 is the alumina-carbon mixture which can be made up of mixed agglomerates of variable composition or of separate elements: alumina and coke for example, coke can also be replaced by any other carbonaceous material. The alumina can be artificial corundum made from bauxite, commercial alumina or any other species of alumina.
When the furnace is operating, the arc 4 is stable, because of the ionization due to the presence of aluminum vapor; there is around the lower part of the electrode an empty zone 5, delimited by the walls of the electrode and a self-lining layer 6, composed of partially transformed materials; the whole is surrounded by thermal insulation 10. 8 is the mixture A14q and aluminum obtained; 9 represents drops formed by the condensation of the vapors of A120 and Al.
In 8, an A14C3 + A1 mixture is obtained, the alumina content of which may be less than 0.5%.
The mixture of aluminum and aluminum carbide, obtained according to the process, is used in particular for obtaining pure aluminum, for example by vacuum distillation or by melting in the presence of flux.
<I> Example </I> In -a 100 kW single-phase arc furnace with conductive hearth built in amorphous carbon, the electrode 30 cm in diameter is lowered onto a 3 cm layer of coke and the electrode is surrounded of mixture A103 and coal. The layer of coke passed through by the current acts as a resistor with the help of which the oven is preheated for an hour. Then the arc is heated at 25 volts and 4000 amps. The arc has a length of about 2 cm and it is extended over the entire section of the electrode, because the gas phase is very. conductive because of its high metallic aluminum content.
With such a furnace approximately 3 kg of liquid alloy A1 and A1403 are produced per hour. The height of the bath therefore increases by 1.5 cm / hour. The rise of the bath is checked with the aid of an index integral with the electrode cable moving in front of a ruler graduated in centimeters. 3 kg of alloy theoretically correspond to 7 kg of alumina-carbon mixture. In the first five hours, the consumption of the mixture is about 2.5 times greater than the theoretical amount.
Indeed, a large part is used to form the self-liner crusts.
When the thickness of the crusts reaches 3-4 cm, the consumption of the mixture ALO3 -; - C decreases and finally approaches the theoretical value.
The Al.03 / C ratio can be varied within certain limits, and in this way, play on the free metal content in the final product. This was obtained with a mixture of 70% A1.0; + 30% carbon (coke) a product containing ALC3: 64%, <B> AI: </B> 32%, C: 2.3%, A1803 + <B> AIN: </B> 1.7% .
The raw materials can be used in pieces or in the form of balls agglomerated by a binder from finely ground products. The thickness of the load must be at least 30 cm to avoid losses by volatilization. In the event that the load does not descend by itself, it is necessary to tackle it with a graphite rod, Finally, to protect the load and the electrode from combustion in air, the furnace is provided with a cover and the jacketed electrode to the right where the gases burn.
The mixtures used frequently gave rise to clashes and it was necessary to poke energetically to lower the mixture of alumina and carbon under the electrode.
One can react under the electrode M03 and A1403 at a temperature sufficient to rapidly reduce the last fractions of alumina, but without going so far as to dissociate A1403.
To obtain this result, it is necessary that over the entire periphery of the electrode an alumina-carbon mixture of uniform composition arrives regularly and continuously in the zone of the arc, so as to obtain and maintain a balance between the energy produced by the arc and the energy necessary for the reaction, thereby avoiding local overheating which causes the formation of graphite by dissociation of A1403.
A charge is therefore preferably chosen which descends on its own under the electrode, as it is reduced. Good results have been obtained with a mixture of charcoal and corundum in spherules; but this example is in no way limiting and any other type of filler can be used, for example agglomerates, briquettes, produced in pieces, provided that this filler goes down on its own as it is reduced.
On the other hand, it has been observed that during the reduction, there sometimes occurs a certain instability of the electric arc, short circuits or partial resistance of the furnace.
These drawbacks have been remedied by adding so much to the furnace, not the usual mixture of alumina and carbon, but sometimes carbon alone and sometimes alumina alone until the disturbance has disappeared.
When the arc is unstable, at the same time as the release of CO decreases, carbon should be added until a suitable stability of the measuring devices and a normal release of carbon dioxide have been obtained. carbon. On the contrary, when the furnace operates in resistance and the amperage increases, the release of carbon monoxide almost completely ceasing, alumina must be added to re-establish good reduction.
It is therefore possible to constantly suppress by adding alumina or carbon the disturbances which occur in the operation of the furnace.
A mixture of aluminum and aluminum carbide which is very poor in .alumina is thus obtained, with better efficiency and lower energy consumption.
By feeding the furnace with a charge containing 165.3 parts of corundum in hollow spherules for 70.8 parts of charcoal, a mixture of aluminum and aluminum carbide containing ALC3: 65.8% was obtained, A1: 30.4%. A1.0 .; + AIN 2.9%, C: 0.17%, Fe: 0.03%.