Procédé de fabrication d'oxyde d'aluminium pur La présente invention concerne un procédé de fabrication de corindon pur, par carbothermie.
Il est connu, d'une part, de fabriquer, de façon discontinue, du corindon en roches par réduction ménagée de la bauxite au four électrique ; ledit co rindon est ensuite transformé en grains et fréquem ment utilisé comme abrasif. De tels procédés se caractérisent principalement en ce que, d'une part, on travaille à température inférieure à 1950 C et, d'autre part, la teneur en alumine des produits obte nus n'est jamais supérieure à 97 % en poids.
Il est connu, d'autre part, que certains fabricants de corindon abrasif, qui utilisent des bauxites pau vres en fer, sont conduits à ajouter du fer, généra lement sous forme d'oxyde, à leur charge ; ils intro duisent alors, dans leur four, un mélange adéquat de bauxite, de coke et d'oxyde de fer ou de ferraille. Et ce, afin non seulement, d'avoir la quantité de fer suffisante à la transformation des impuretés métalâ- ques en ferro-alliages, mais encore de pouvoir, ulté rieurement, effectuer la séparation magnétique des particules de silicium, retenues occluses dans le co rindon sous forme de ferro-alliage magnétique.
Les procédés connus entrant dans l'état de la technique ne permettent pas d'obtenir, par carbo- thermie, du corindon à haute teneur en oxyde d'alu minium.
Mais il a été possible de trouver un procédé semi-continu de fabrication de corindon pur de l'or dre de et supérieur à 99,5 % en poids et ceci, par réduction des minerais alumineux au four électrique.
La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication de corindon pur par réduc tion partielle des minerais d'aluminium par le car bone, au four électrique, caractérisé en ce que l'on chauffe à une température comprise entre 2000 OC et 22000 C, une charge de minerai d'aluminium con- tenant de la silice, de l'oxyde de fer et d'autres oxydes métalliques en moindre quantité que ces deux derniers avec du matériel carboné en quantité suffi sante pour la complète réduction des oxydes de fer dans le minerai alumineux, des globules de ferro- silicium se formant et restant suspendus dans ledit bain,
et on ajoute à ce bain contenant de 94 et 95 % d'oxyde d'aluminium une nouvelle quantité de maté riel carboné pour réduire les impuretés oxydées res tantes, de façon que la quantité totale de carbone employée soit supérieure à celle stoechiométrique- ment nécessaire pour la réduction de tous les oxydes de métaux, autres que l'alumine, contenus dans le minerai initial, on couvre le bain d'une couche calo rifuge d'alumine, ajoute à ce bain des tournures de fer, après quoi les globules de ferro-silicium suspen dus dans le bain se déposent au fond du bain.
II a été, d'une part, établi que, pour réduire complètement les oxydes de fer et de silicium, con tenus dans les minerais alumineux traités, sans ré duire substantiellement l'oxyde d'aluminium, on uti lisera un léger excès de carbone. Ledit excès est de l'ordre de 35 à 50 % en poids, par rapport à la quantité stoechiométrique correspondant à la réduc tion des oxydes métalliques autres que l'alumine, contenus dans le minerai de départ ; ce qui revien dra, généralement, à ajouter en pratique une masse de carbone telle, par rapport à la masse de minerai traité, qu'elle dépassera de 2,5 à 5 % en poids, celle théoriquement nécessaire.
C'est ainsi, par exemple que, pour une bauxite calcinée, contenant environ 18 % en poids de Fe20i, 7 % en poids de SiO.. et 68 % en poids de Als03, on utilisera, selon les procédés connus de fabrication de corindon abrasif, 7 % en poids environ de coke, alors que, selon le présent procédé, on ajoutera 10 % environ dudit coke.
On peut utiliser comme réducteur du carbone très pur comme le coke de brai, mais le coke métal lurgique convient également car ses impuretés non réductibles, chaux et magnésie, peuvent être enlevées ultérieurement, si elles sont gênantes pour l'utilisa tion envisagée.
On a, d'autre part, défini que, contrairement aux procédés connus de fabrication de corindon abrasif, travaillant à température inférieure à 1950 C, on doit, pour obtenir de l'oxyde d'aluminium pur, selon l'invention, réaliser ladite réduction à température supérieure à 2000e C, préférablement de l'ordre de 2100 à 2200 C ; et ce, afin de maintenir un degré de fluidité du bain fondu adéquat avec la purification de l'oxyde d'aluminium.
Après achèvement de la phase de réduction, le bain fondu d'oxyde d'aluminium ne contient plus d'oxydes de fer et/ou de silicium ; toutefois, quel ques fins globules d'un alliage de ferro-silicium, formé par réduction desdits oxydes, reste, en suspen sion, occlus dans ledit bain ; la majeure partie, voire la presque totalité dudit alliage s'est rassemblée, par décantation, au fond du four.
On a, de plus, trouvé la possibilité d'éliminer complètement lesdits globules, en les entraînant vers le fond par du fer pur fondu. Toutefois, pour ce faire, l'opération y relative est délicate et doit être conduite avec précaution, en effet, il faut éviter tout refroidissement du bain qui provoquerait, ipso facto, un abaissement de sa fluidité et limiterait l'efficacité de ladite opération.
Ledit fer sera obtenu par fusion de tournures de fer, non oxydées. On évitera, tout particulièrement, l'addition de tout composé du fer qui, par réduction endothermique, serait susceptible de donner du fer.; l'addition de tels composés conduirait obligatoire ment à un abaissement nuisible, ainsi que nous l'avons dit, de la température du bain.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, ladite adjonction de fer, au bain, sera conduite comme suit On dégage tout d'abord l'électrode des croûtes qui l'entourent et on place, à la surface du bain liquide, une couche calorifuge d'alumine calcinée ou de corindon pulvérulent, déjà épuré. Cette couche doit être suffisamment épaisse pour empêcher le refroidissement de la surface supérieure du bain 1,5 à 2 cm suffisent généralement.
On réchauffe alors le bain à pleine puissance pendant quelques minutes, puis on introduit des tournures de fer, aussi épaisses que possible, en quantité limitée, pour éviter un refroidissement trop brutal du bain et obtenir, grâce à la couche calorifuge, une fusion rapide du fer. On recommence l'opération jusqu'à introduction de la quantité de tournures nécessaire pour obtenir l'épuration optima, soit de 5,5 à 6,5 kg de tournures par 100 kilos de corindon épuré.
Si la couche calorifuge est entraînée par les tour nures, on la reconstitue avant l'adjonction suivante. On ajoutera ainsi, selon l'invention, quelques pour-cent en poids, et, de préférence, de l'ordre de 6 % de tournure de fer.
On laisse décanter quelques minutes après le dernier apport de tournures et on coule le corindon épuré contenu dans le four. Ainsi par exemple, dans un four de 150 kilowatts permettant de couler à la fois environ 200 kilos de corindon épuré, on obtient de bons résultats en respectant l'horaire suivant Temps 0: Electrode dégagée et couche calorifuge de grains de corindon épuré, mise en place. De 0 h à 0 h 05 min : Réchauffage du bain.
De 0 h 05 à 0 h 15 min : Introduction des 12 kilos de tournure de fer en deux charges égales successives.
De 0 h 15 à 0 h 30 min: Décantation. A 0 h<B>30:</B> Coulée.
On a pu par ailleurs, établir qu'il est possible d'éliminer, du bain d'oxyde d'aluminium purifié, le carbone en excès et les traces de carbure d'alumi nium formées, si l'on soumet ledit bain à une oxy dation ménagée, contrôlée et rapide par l'oxygène ou un gaz en contenant, l'air par exemple.
Selon un procédé de réalisation préférentiel de l'invention, ladite oxydation sera réalisée, conjointe ment à la pulvérisation de l'oxyde d'aluminium li quide en fines gouttelettes par action de l'air, violem ment projeté au travers du flot de coulée dudit bain.
Les particules de carbone seront alors brûlées en donnant de l'oxyde de carbone ; quant au carbure d'aluminium, il sera oxydé en alumine avec libéra tion d'oxyde de carbone.
En pratique, le bain d'oxyde d'aluminium épuré est coulé par basculement du four ; le corindon est alors granulé sous l'action d'un jet d'air sous pres sion, qui divise le flot de coulée en fines gouttelettes et les projette au travers d'un tunnel, en tôle d'alu minium par exemple, refroidi extérieurement, dans une couche d'eau. On obtient des grains blancs, ronds et creux, d'un diamètre inférieur à 2 milli mètres. On redresse ensuite le four et recommence une nouvelle opération de réduction. Le fonctionne ment du four est donc continu, ce qui permet une économie d'énergie électrique par rapport au pro cédé discontinu utilisé pour la fabrication du corin don abrasif.
On coule périodiquement le ferro-silicium qui s'est rassemblé au fond du four.
On a, de plus, trouvé qu'il est possible d'accroî tre la fluidité du bain d'oxyde d'aluminium, obtenu au cours du processus de-réduction carbothermique des minerais alumineux, par adjonction de faibles quantités, de l'ordre de quelques pour-cent en poids et, plus particulièrement, comprises entre 1 et 2 % en poids, d'oxyde de magnésium ou d'un composé du magnésium, capable de former, dans les condi tions opératoires, ledit oxyde : le carbonate de ma gnésium, par exemple.
La diminution de la viscosité dudit bain facilitera la décantation des impuretés, ferro-alliages plus par ticulièrement, au cours dudit processus ; ce qui per- mettra, le cas échéant, l'adjonction de moindres quantités de tournures de fer, dans un but de dé cantation de globules de ferro-alliages retenus, ainsi que nous l'avons exposé plus haut, au sein du bain d'alumine, fondu.
On peut aussi réaliser le traitement carbothermi- que à température sensiblement inférieure, tout en ayant un degré de viscosité dudit bain, conforme à une décantation satisfaisante des impuretés.
L'oxyde de magnésium, ou le composé du ma gnésium, susceptible de former ledit oxyde dans les conditions opératoires, le carbonate de magnésium par exemple, pourra être ajouté directement dans le bain fondu, au cours du traitement de réduction carbothermique ; toutefois et selon un mode de réa lisation préférentiel de l'invention, ledit oxyde et/ou ledit composé sera directement additionné à la charge introduite dans l'appareillage de traitement carbothermique.
Il a été possible, en outre, de mettre ou point que l'oxyde de magnésium, contenu dans le corindon granulé, obtenu, peut être éliminé, le cas échéant, en totalité ou en majeure partie par traitement aqueux acide, à l'acide chlorhydrique dilué par exemple.
On a enfin trouvé que si la teneur en titane du corindon obtenu s'avérait supérieure à celle requise au cours d'utilisations ultérieures, l'introduction dans le bain fondu, avant coulée, de faibles quantités de tout composé du bore, susceptible de former, dans les conditions opératoires, un boro-titane s'éliminant par décantation, tel que, par exemple et sans que cette énumération soit limitative, le borax anhydre, l'acide borique, le carbure de bore, la boracite, etc., permet l'élimination presque totale dudit titane.
Le corindon obtenu, selon le procédé de la pré sente invention, pourra être utilisé, soit pour la fabri cation de matériaux réfractaires et calorifugés, soit comme produit intermédiaire dans d'autres fabrica tions, celle de l'aluminium par exemple.
Les exemples suivants, qui ne sont en rien limi tatifs, ont pour seul but d'illustrer les diverses phases du procédé et l'oxyde d'aluminium pur obtenu, ob jets de la présente invention. <I>Exemple 1</I> Dans un four électrique monophasé de 150 kW, on charge un mélange de 100 kg de bauxite (con tenant environ en poids 68% d'Al:,O;i, 18% de Fe-03 et 7 % de SiO..), et de 8 kg de charbon de réduction; on laisse le four se remplir jusqu'au bec de coulée. Le bain de fusion, qui est à une température com prise entre 21<B>00</B> et 2200 C, contient 94 à 95 % d'Al.O@.
Quelques heures avant coulée, on ajoute 2 kg de charbon supplémentaires afin de parfaire la réduc tion. Celle-ci est contrôlée au moyen d'une baguette de fer que l'on plonge rapidement dans le corindon en fusion ; si la couleur dudit corindon, collé sur la baguette, passe du gris foncé au noir, la réduction est terminée.
On élimine toute trace de bauxite sur la surface du bain en ajoutant, dans ce but, une couche d'alu mine en poudre ou du corindon déjà purifié. Quand la couche de bauxite est fondue et qu'il ne reste plus en surface que de l'alumine, on introduit dans le bain de la tournure de fer non oxydée, à raison de 60 kg par tonne de bain liquide. Cette tournure calorifugée par l'alumine, fond et entraîne, en traver sant le bain, les fines goutellettes de Fe-Si encore en suspension.
L'oxydation du carbone en excès et des traces de carbure d'aluminium formé, est réalisée concur remment à la granulation, en soufflant un violent jet d'air comprimé sur la veine liquide au moment où elle sort du bec de coulée. Les grains obtenus, sous forme de sphères creuses, sont rassemblés dans un tunnel en aluminium à double paroi à circulation d'eau et tombent, encore rouges, dans un violent courant d'eau qui, en les refroidissant, les véhicule dans une trémie en aluminium et termine l'oxydation du carbure en excès déjà obtenu en majeure partie dans le courant d'air.
Ils sont ensuite séchés et soumis à un triage mé canique. Le produit obtenu répond à l'analyse sui vante
EMI0003.0028
Teneur <SEP> minima <SEP> Teneur <SEP> moyenne
<tb> si <SEP> <B><I>0,005%</I></B> <SEP> 0,05 <SEP> %
<tb> Fe <SEP> 0,02 <SEP> 0,05
<tb> Ti <SEP> 0,15 <SEP> 0,20
<tb> CaO <SEP> 0,10 <SEP> 0,30
<tb> Mg0 <SEP> 0,10 <SEP> 0,20
<tb> A1.03 <SEP> 99,6 <SEP> 99,2 Le corindon peut être utilisé tel quel si ses te neurs en CaO et MgO ne sont pas gênantes. Il est possible, cependant, d'éliminer plus de 90 % de ces impuretés en lavant les grains à l'acide chlorhydri que dilué.
Les teneurs en CaO, MgO et alumine deviennent alors
EMI0003.0035
<B>Teneur <SEP> minima <SEP> Teneur <SEP> moyenne</B>
<tb> CaO <SEP> 0,0<B>1</B> <SEP> % <SEP> <B>0,03%</B>
<tb> <B>MgO</B> <SEP> 0,01 <SEP> 0,02
<tb> A1.0 <SEP> 99,78 <SEP> 99,65 <I>Exemple 2</I> Cet exemple a plus particulièrement pour objet, d'illustrer la phase d'élimination du titane par tout composé du bore, susceptible de former un boro- titane.
On traite, ainsi qu'il a été décrit dans l'exemple 1, un minerai alumineux. Toutefois, après addition des tournures de fer et peu de temps avant la coulée on ajoute une petite quantité d'acide borique. Le produit obtenu contient Fe : 0,05 % Si : 0,05% Ti: 0,02 % au lieu de 0,3 %.
Le pourcentage de titane est donc quinze fois plus faible grâce à l'emploi du procédé qui fait l'ob jet de l'invention. <I>Exemple 3</I> Dans un four électrique triphasé, de 400 kW, on charge un mélange de
EMI0004.0003
Bauxite <SEP> à <SEP> 70 <SEP> % <SEP> d'A1903 <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 100 <SEP> kg
<tb> Charbon <SEP> de <SEP> réduction <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 8 <SEP> kg
<tb> Magnésie <SEP> à <SEP> 80 <SEP> % <SEP> <B>MgO</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>1,750</B> <SEP> kg et on laisse le four se remplir jusqu'au niveau du bec de coulée. La fusion obtenue contient 94 à 95 % d'Al,>03.
Quelques heures avant la coulée on introduit 3 à 4 kg de charbon supplémentaires, afin de parfaire la réduction. Celle-ci est contrôlée au moyen d'une baguette de fer que l'on plonge rapidement dans le corindon en fusion ; si la couleur dudit corindon collé sur la baguette, passe du gris foncé au noir, la réduction est terminée.
On élimine toute trace de bauxite sur la surface du bain en ajoutant, dans ce but, une couche d'alu mine en poudre ou du corindon, déjà purifié. Quand la couche de bauxite est fondue et qu'il ne reste plus en surface que de l'alumine, on introduit dans le bain de la tournure de fer non oxydée, à raison de 60 kg par tonne de bain liquide. Cette tournure calori- fugée par l'alumine, fond et entraîne, en traversant le bain, les fines gouttelettes de Fe-Si encore en suspension.
On ajoute alors, par petites quantités, du borax anhydre à raison de 15 kg par tonne de corindon liquide. Le borax est réduit par l'excès de carbone du bain et libère le bore qui se combine avec le titane pour former du TiB2 qui décante.
Après 10 minutes de décantation, on coule. Notons ici que, pendant ces opérations, il est nécessaire d'éviter tout refroidissement du bain, afin de maintenir une fluidité permettant une facile dé cantation. L'addition de magnésie qui, en abaissant le point de fusion, permet de conserver cette fluidité, contribue fortement à l'obtention d'un produit pur. L'oxydation du carbone en excès et des traces de carbure d'aluminium formé, est réalisée, concurrem ment à la granulation, en soufflant un violent jet d'air comprimé sur la veine liquide au moment où elle sort du bec de coulée.
Les grains obtenus sous forme de sphères creuses sont rassemblés dans un tunnel en aluminium, à double paroi à circulation d'eau et tombent encore rouges, dans un violent cou rant d'eau qui, en les refroidissant, les véhicule dans une trémie en aluminium et termine l'oxydation du carbure en excès déjà obtenu en majeure partie dans le courant d'air. Ils sont ensuite séchés et soumis à un triage mé canique.
Un corindon obtenu répond à l'analyse moyenne suivante
EMI0004.0022
Si <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B><I>0,05%</I></B>
<tb> Fe <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,04%
<tb> Ti <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,04%
<tb> CaO <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,20%
<tb> <B>MgO</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>1,8%</B>
<tb> AI;O;; <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 97,8 <SEP> % Si nécessaire, on élimine en totalité ou en partie la chaux et la magnésie y contenues par lavage à l'HCl.
Avec un tel four de 400 kW on coule, en con tinu, de 1500 à 1800 kg de corindon granulé par 24 heures. Tous les deux jours le ferro-alliage sera coulé par un deuxième bec de coulée situé à la base du four.