CH642999A5

CH642999A5 - Procede de purification d'aluminium impur par cristallisation fractionnee.

Info

Publication number: CH642999A5
Application number: CH1134079A
Authority: CH
Inventors: Robert Kimball Dawless; Robert Ernest Graziano; Arthur Angelo Bonarett
Original assignee: Aluminum Co Of America
Priority date: 1978-12-26
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1984-05-15
Also published as: FR2445381A1; IT1164030B; NO157982B; AU4902579A; CA1121604A; IT7951157A0; GB2041007B; JPS5589439A; NO793930L; GB2041007A; FR2445381B1; NL7909256A; US4221590A; NZ192417A; DE2951706A1; JPS5812328B2; AU521857B2; NO157982C

Description

Cette invention concerne des améliorations de la purification de l'aluminium, et plus particulièrement une amélioration du procédé de cristallisation fractionnée pour la purification de l'aluminium.

En raison des limitations croissantes sur les ressources naturelles, en particulier les ressources énergétiques, des efforts considérables ont été dépensés pour produire d'autres sources. Une source que l'on considère comme ayant un potentiel exceptionnel pour satisfaire ce besoin est l'énergie provenant d'un réacteur à fusion nucléaire. Cependant, en raison du besoin d'isoler ou de confiner les milieux radioactifs utilisés, des recherches considérables sont entreprises pour mettre au point des matériaux pour le réacteur qui ne présentent pas ultérieurement des problèmes de rejet. Par exemple, si l'on utilise un aluminium de pureté élevée dans le réacteur, la radioactivité de ces matériaux est réduite d'un facteur qui, selon le degré de pureté de raluminium, peut être aussi élevé qu'un million quelques semaines après l'arrêt du réacteur. A titre de comparaison, si l'on utilise de l'acier inoxydable pour la même application, une telle diminution demanderait environ 1000 ans, ce qui présente évidemment des problèmes difficiles dans le rejet de ces matériaux.

L'utilisation d'aluminium de pureté élevée et de pureté extrême a s également un intérêt croissant dans la stabilisation des supraconducteurs. Dans une telle application, l'énergie électrique est transférée à des températures très basses, par exemple 4°K, où la résistance électrique est très faible. Plus élevée est la pureté de l'aluminium métallique, plus faible est sa résistance, c'est-à-dire que plus élevée est sa io conductivité à de telles températures faibles.

Un procédé utilisé dans la technique pour purifier l'aluminium est appelé cristallisation fractionnée. De tels procédés de cristallisation sont décrits dans les brevets des EUA Nos 3211547 et 3301019. Ces brevets utilisent l'élimination de chaleur à la surface de l'alumi-15 nium fondu, en formant ainsi des cristaux d'aluminium de pureté supérieure dans l'aluminium fondu impur. Les cristaux solides purs d'aluminium sont ensuite tassés à la partie inférieure de l'appareil de cristallisation. L'aluminium fondu impur est ensuite drainé de l'appareil, puis l'aluminium pur est fondu à nouveau et il peut être alors 20 soutiré en une ou plusieurs fractions de pureté différente, selon leur dilution avec l'aluminium fondu impur contenu entre les cristaux avant la refonte.

Dans les dessins annexés:

la fig. 1 illustre schématiquement une vue en élévation en coupe 25 d'un four de cristallisation fractionnée utilisé dans le procédé de la présente invention, et la fig. 2 est un graphique montrant le facteur de concentration du silicium dans l'aluminium impur en fonction du pourcentage de charge enlevé.

30 Selon la présente invention, il est fourni un procédé amélioré de purification d'aluminium impur par cristallisation fractionnée, comprenant les étapes consistant:

a) à mettre à l'état fondu une masse d'aluminium impur dans un récipient dans le but de la purifier;

35 b) à enlever de la chaleur à la surface de la masse d'aluminium impur pour en éliminer les impuretés eutectiques par formation de cristaux d'aluminium dans la masse, lesdits cristaux ayant une pureté supérieure à celle de l'aluminium liquide restant constituant la fraction restante dans laquelle sont concentrées les impuretés, les 40 cristaux étant déplacés loin de la surface d'enlèvement de la chaleur, une partie des cristaux étant rassemblée dans un lit proche de la partie inférieure du récipient, et c) à introduire de la chaleur dans la masse près de sa partie inférieure pour fondre une partie des cristaux recueillis près de la partie 45 inférieure du récipient, ce qui déplace la partie fondue dans les cristaux en raison de l'éloignement des cristaux de la surface d'enlèvement de la chaleur et grâce à quoi la partie fondue amène les impuretés vers la partie supérieure de la masse.

Considérons maintenant la fig. 1 ; elle représente un récipient 60 50 pour le processus de cristallisation fractionnée amélioré de l'invention, comportant une paroi isolante 62 qui peut être chauffée si on le désire. Le récipient comporte de préférence une couche 64 consistant en alumine en poudre qui fournit une barrière vis-à-vis de l'aluminium fondu qui peut s'échapper à travers la paroi interne 66. La 55 paroi 66 doit être faite d'un matériau qui n'agit pas comme source d'impureté vis-à-vis de l'aluminium fondu 68. La paroi 66 est de préférence formée de matières réfractaires à base d'alumine de pureté élevée, c'est-à-dire au moins 90% en poids et de préférence 92 à 99% en poids d'alumine. Une telle matière réfractaire peut être obtenue 60 chez Norton Company, Worcester, Massachusetts, USA, sous la désignation Alundum VA-112. Ce matériau est amené dans la paroi 66 sous forme de poudre puis y est fritté, ce qui lui donne de la rigidité. Cela forme un revêtement monolithique qui est moins sujet à une pénétration par l'aluminium fondu et qui convient donc mieux pour 65 l'utilisation avec le système de chauffage par le bas de l'invention, comme décrit ci-dessous. Par exemple, les contrôles de bilan de matière indiquent une récupération de 99,7% en poids de la charge initiale, ce qui indique peu ou pas de pénétration dans le revêtement.

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L'utilisation d'un revêtement d'alumine de pureté élevée comme l'Alundum donne une très faible contamination. Par exemple, la contamination maximale par le fer ou le silicium est d'environ 2 ppm de fer et 3 ppm de silicium; et une partie de celle-ci peut être due à la contamination par les bouchons des trous de coulée ou par des articles similaires. En outre, la congélation sur les parois latérales qui est également à éviter, pour une production de pureté élevée, est moins un problème lorsque l'on utilise un tel revêtement que lorsqu'on utilise comme dans la technique antérieure des matériaux comme le carbure de silicium ou des matériaux similaires.

La température des parois du récipient est réglée par isolation ou par chauffage, de sorte que peu ou pas de chaleur ne s'échappe vers l'extérieur à partir de la masse d'aluminium fondu. La chaleur est soutirée ou enlevée à la surface non limitée pour obtenir la solidification de l'aluminium fondu, ce que l'on appelle le cycle de congélation, qui permet la cristallisation fractionnée de l'aluminium pur dans une zone située au niveau et immédiatement sous la surface non limitée du métal fondu. La congélation du métal fondu sur les parois du récipient doit être évitée, si possible, ou s'il se produit une certaine congélation, elle ne doit pas représenter plus de 10% de la masse fondue. L'aluminium fondu qui se solidifie au niveau de la paroi du récipient ne doit pas être autorisé, quand cela est possible, à contaminer la cristallisation fractionnée se produisant dans la zone située au niveau ou sous la surface non limitée.

Dans le procédé de l'invention, l'aluminium fondu est introduit dans le récipient 60 pour purification par cristallisation fractionnée. La source d'aluminium peut être de l'aluminium primaire, qui comprend typiquement 99,6% en poids d'aluminium, ou bien ce peut être un aluminium de pureté supérieure, comme de l'aluminium à 99,9% ou 99,993% en poids, comme celui produit dans une cellule électrolytique appelée cellule Hoopes. Comme décrit dans le brevet des EUA N° 3211547 susmentionné, pour éliminer par cristallisation fractionnée les impuretés restant dans l'aluminium, on enlève de la chaleur de l'aluminium fondu à une vitesse telle qu'il se forme et se maintient des cristaux riches en aluminium dans la zone 70, comme indiqué sur la fig. 1. Les cristaux riches en aluminium ainsi formés se déposent par gravité dans la zone 72, et, une fois qu'une quantité prédéterminée de cristallisation fractionnée a eu lieu, on peut séparer de l'aluminium riche en aluminium ou de pureté élevée l'aluminium fondu impur restant 74, riche en impuretés eutectiques et qui a été déplacé vers la partie supérieure du récipient, par vidange par le trou de coulée supérieur 76. Pendant le processus de congélation, on préfère faciliter le dépôt des cristaux par action de la dame 78 qui brise les formations massives de cristaux et qui agit également en tassant les cristaux dans la zone 72, comme décrit dans le brevet susmentionné. Après élimination de la liqueur mère d'aluminium impur fondu par le trou de coulée 76, on peut chauifer le récipient pour fondre à nouveau les cristaux d'aluminium pur qui sont ensuite enlevés par le trou de coulée inférieur 80.

Selon un aspect préféré de l'invention, les cristaux sont tassés pendant le cycle de congélation pour exprimer le liquide impur d'entre les cristaux situés de façon générale à la partie inférieure 72 du récipient. Le liquide impur ayant été plus ou moins déplacé de la zone 72 de l'unité est enlevé par le trou de coulée supérieur 76, en éliminant ainsi le passage de ce liquide à travers la région inférieure de pureté élevée du lit de cristaux placé généralement au fond 72 de l'unité. Pendant le cycle de congélation et de tassement, on a découvert que l'on peut obtenir une plus grande fraction d'aluminium de pureté supérieure en chauffant la partie inférieure de l'unité pendant la congélation. Cette chaleur peut être fournie par des bobines d'induction externes ou par des résistances ou Globars (marque de fabrique) contenus dans des tubes dans le revêtement d'Alundum. Des Globars de type carbure de silicium, disponibles chez la société Norton Company, peuvent être utilisés. Comme indiqué précédemment, l'utilisation d'un revêtement monolithique qui empêche la pénétration de l'aluminium fondu permet l'utilisation de tels moyens de chauffage ennoyés dans le revêtement. Pour une protection supplémentaire, chaque Globar 110 peut être inséré dans un tube de matériau 100, par exemple de la mullite, qui est non conducteur et ne peut pas être pénétré par l'aluminium fondu. Bien que le moyen de chauffage ait été représenté à la partie inférieure de la couche 66 (fig. 1), il est entendu que des éléments de chauffage supplémentaires 5 peuvent être placés dans les côtés avec un effet intéressant.

Le chauffage au niveau ou au voisinage de la partie inférieure de l'unité pendant le cycle de congélation, c'est-à-dire pendant que de la chaleur est enlevée à la surface ou au voisinage de la surface, permet la refonte d'une portion des cristaux situés près de la partie infé-îo rieure de l'unité. Cette position fondue monte ou est déplacée de façon ascendante dans le lit de cristaux en emportant avec elle le liquide impur qui y reste. La montée ou le déplacement de la partie fondue à travers les cristaux de façon ascendante est facilitée, pense-t-on, en ce que les cristaux ont tendance à déplacer la partie fondue 15 au fond ou près du fond de l'unité car la densité des cristaux est supérieure à celle de la phase liquide ou portion fondue. En outre, le chauffage à la partie inférieure est très intéressant pendant le processus de tassement, en ce qu'une partie fondue peut être exprimée dans le lit de cristaux, et emmène avec elle les impuretés restant entre les 20 cristaux ou y adhérant. Le chauffage par le fond est également avantageux en ce qu'il peut empêcher la congélation de la phase liquide sur la partie inférieure en y emprisonnant des impuretés qui peuvent avoir un effet nuisible sur le degré de pureté quand la totalité des cristaux sont par la suite fondus à nouveau en vue de leur enlève-25 ment par le trou de coulée inférieur 80.

Il est entendu que le chauffage par le fond doit normalement être soigneusement déterminé pendant le cycle de congélation pour empêcher une refonte excessive. Typiquement, le chauffage au fond ou près du fond pendant le cycle de congélation doit être déterminé de 30 façon à introduire de la chaleur à un taux qui n'est pas inférieur à 10 kW par mètre carré de surface de chauffage, selon, à un certain degré, l'élimination de chaleur à la surface ou au voisinage de cette surface pour la cristallisation et selon les propriétés d'isolation des parois. Un taux de chauffage type à la partie inférieure de l'unité est 35 de 5 à 30 kW/m2. On notera que normalement le taux de chauffage de la partie inférieure est déterminé de façon à être une fraction du taux auquel la chaleur est enlevée. On a trouvé que l'on obtient typiquement les meilleurs résultats quand le taux de refonte à la partie inférieure ou à son voisinage est réglé de façon à être compris entre 40 environ 5 à 25% du taux de cristallisation ou de congélation. Cependant, il peut y avoir des cas où les taux peuvent être supérieurs ou inférieurs, selon en partie la pression utilisée pour le tassement et la densité du lit de cristaux.

Les avantages d'un chauffage déterminé près de la partie infé-45 rieure du récipient dans le but de faire fondre à nouveau les cristaux de façon déterminée sont clairement illustrés si l'on se réfère à la fig. 2 qui indique le degré d'impureté, en ce qui concerne le silicium par exemple, que l'on peut obtenir avec ou sans chauffage à la partie inférieure. La courbe en trait plein A représente les valeurs obtenues so avec un cycle de congélation et un chauffage à la partie inférieure, tandis que la courbe B représente un cycle de congélation classique. La droite C représente la concentration en impuretés dans la charge. Selon la fig. 2, le facteur de concentration (rapport de la concentra-, tion en impuretés dans un échantillon à la concentration en impure-55 tés dans la charge) du silicium est donné en fonction de la quantité d'aluminium enlevée de l'unité de cristallisation. Par exemple, si la concentration initiale en silicium dans l'unité est de 360 ppm et que son facteur de concentration (FC) est 1, on notera d'après la fig. 2 que, si l'on utilise le chauffage à la partie inférieure, la concentration 60 du silicium par rapport à la quantité d'aluminium enlevée est élevée (3,7) par rapport à la concentration en silicium si l'on utilise un cycle de congélation classique. Le facteur de concentration élevée est important en ce que, d'abord, on peut enlever une plus grande quantité d'impuretés par le trou de coulée supérieur, comme on peut le voir 65 d'après la fig. 2. Deuxièmement, seule une plus faible quantité de métal doit être enlevée (environ 30% dans le cas représenté sur la fig. 2) pour abaisser de façon significative le niveau d'impuretés. C'est-à-dire que l'on voit d'après la fig. 2 que, en utilisant le cycle de congé

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lation classique, il faut enlever environ 60 à 70% de la charge pour éliminer les impuretés de façon comparable. Cependant, dans la présente invention, on récupère sous forme de produit de pureté élevée une quantité aussi importante que 60% de la charge. On peut voir qu'en utilisant le chauffage à la partie inférieure, on peut obtenir une augmentation significative du rendement en métal purifié. Si l'on considère la fig. 2 à titre d'exemple, on notera que le rendement peut être doublé. Il est entendu que des facteurs de concentration supérieure peuvent être obtenus en changeant la pression de tassement et le chauffage à la partie inférieure. C'est-à-dire que l'on peut encore mieux éliminer les impuretés, en permettant ainsi d'enlever une plus faible fraction par le trou supérieur, ce qui donne des rendements encore plus élevés. (Dans le cas de la fig. 2, le préchauffage est effectué à une température de 773° C et le temps de tassement est de 30 min.)

Bien que l'on ne sache pas exactement comment le chauffage par la partie inférieure ainsi que le tassement fournissent de tels avantages en ce qui concerne le rendement, on a noté qu'une telle technique donne des facteurs de pureté, pour le fer par exemple, nettement supérieurs à ceux que l'on peut théoriquement expliquer par les diagrammes de phase binaire. Par exemple, si la teneur en fer de départ est de 0,05% en poids, le diagramme de phase binaire montre que le matériau ayant la pureté la plus élevée doit contenir 0,0014% en poids de fer, ce qui correspond à un facteur de purification maximal de 37. Des expériences ont cependant été effectuées en utilisant le mode opératoire précédent où l'on peut obtenir des matériaux contenant moins de 0,0005% en poids de fer, et même des quantités aussi faibles que 0,0003% de fer. Cette purification très poussée ne peut s'expliquer que par le remplacement du liquide initial par un liquide plus pur par l'intermédiaire du chauffage à la partie inférieure et du tassement. Les cristaux s'équilibrent ensuite avec le liquide plus pur selon les fonctions de répartition théoriques. On pense qu'il existe un phénomène de transfert de masse à l'état solide par l'intermédiaire et depuis les cristaux solides jusqu'à une phase liquide plus pure entourant les cristaux en vue d'établir un équilibre avec la phase liquide.

Le cycle de congélation ou de formation de cristaux peut être effectué sur une période d'environ 2 à 7 h. Le chauffage de la partie inférieure de l'unité peut se faire pendant la même période dans le but de fondre à nouveau partiellement certains des cristaux près de la partie inférieure du lit (fig. 1). On a trouvé cependant que le chauffage de la partie inférieure peut être utilisé seulement pendant une partie du cycle de congélation et typiquement pendant approximativement les deux derniers tiers du cycle de congélation.

En plus de l'utilisation du chauffage de la partie inférieure pendant le cycle de congélation, on a trouvé que ce chauffage est également intéressant pendant la refonte des cristaux en vue de leur récupération de l'unité de cristallisation fractionnée. C'est-à-dire qu'en plus de la refonte des cristaux obtenus de pureté importante par un chauffage superficiel classique, on fournit de la chaleur à la partie inférieure de l'unité de la même manière que décrit précédemment. L'utilisation du chauffage à la partie inférieure pendant le cycle de refonte a l'avantage qu'il empêche la phase liquide du produit de pureté élevée de se congeler à la partie inférieure du récipient ou à son voisinage, ce qui peut nuire au degré de pureté. En outre, le maintien du produit de pureté élevée sous forme fondue facilite l'ouverture du trou de coulée inférieur. En outre, le chauffage de la partie inférieure réduit le temps nécessaire pour fondre le lit de cristaux dans l'unité, ce qui augmente de façon importante les économies globales que permet de réaliser le système. Typiquement, la fusion du lit de cristaux demande environ 2 à 5 h.

L'exemple suivant est donné pour illustrer l'invention.

Exemple:

On introduit dans une unité de cristallisation en substance telle que représentée sur la fig. 1 environ 880 kg d'un alliage d'aluminium contenant 360 ppm de silicium et d'autres impuretés. Pour simplifier l'exemple, on ne s'intéressera qu'à l'élimination du silicium. On fond d'abord la charge, après quoi on extrait la chaleur à la surface libre du produit fondu à raison d'environ 70 kW/m2 dans le but de former des cristaux, la chaleur étant enlevée par soufflage d'air sur la surface. Après environ 1 h de fonctionnement, on met en route les éléments de chauffage à la partie inférieure et l'on introduit de la chaleur par le fond du récipient à raison d'environ 10 kW/m2. A des intervalles d'environ 2 s, on presse la dame dans l'unité pour briser les formations de lits de cristaux au voisinage ou près de la surface du produit fondu. Après formation de suffisamment de cristaux, on presse la dame vers le bas (à peu près toutes les 2 s) pour tasser les cristaux dans la partie inférieure de l'unité et pour déplacer la phase liquide vers la partie supérieure de l'unité et entraîner les impuretés avec elle. La pression de la dame est comprise entre 0 et 1,4 kg/cm2, et augmente avec la formation du lit de cristaux. On notera que le chauffage à la partie inférieure fait fondre les cristaux au niveau ou au voisinage de la partie inférieure du récipient, en formant de l'aluminium de pureté élevée qui purge les cristaux au fur et à mesure que l'aluminium de pureté élevée se déplace vers le haut vers la partie supérieure du récipient. Après environ 3 h d'enlèvement de chaleur et une cristallisation d'environ 70% de la charge, on ouvre le trou de coulée supérieur et on détermine la concentration en silicium du premier métal enlevé. Cet échantillon correspond au pourcentage zéro de charge enlevée de la fig. 2. Puis on prélève des échantillons de la charge comme indiqué sur la fig. 2. On voit d'après la fig. 2 qu'environ 33% de la charge est enlevée par le trou de coulée supérieur. Ensuite, on peut voir en considérant les courbes de la fig. 2 que, si l'on utilise le chauffage à la partie inférieure pendant le cycle de congélation, le silicium est bien plus concentré qu'en utilisant la méthode classique, en particulier dans la partie de la courbe qui correspond à l'utilisation du trou de coulée supérieur. On notera que, plus grande est la quantité d'impuretés que l'on peut concentrer pour l'élimination par le trou de coulée supérieur, plus faible est la quantité qui sera présente lorsque l'on enlève le métal par le trou de coulée inférieur. Ainsi, on peut voir que, comme une plus grande quantité de silicium a été enlevée par le trou de coulée supérieur par rapport à la méthode classique, la fraction de métal enlevée par le trou de coulée inférieur est beaucoup plus pure que celle enlevée par le trou de coulée inférieur dans la méthode classique. D'après la fig. 2, on peut voir qu'en général le rendement de la présente invention est approximativement double par rapport à celui de la méthode classique.

Bien que l'on ait utilisé le silicium seul pour illustrer la présente invention, il est entendu que l'effet représenté sur la fig. 2 est le même pour une quelconque autre impureté eutectique que l'on peut rencontrer. En outre, la courbe du cycle de congélation classique utilisée dans la fig. 2 a été obtenue de la même façon que décrit précédemment, mais en n'utilisant pas de chauffage à la partie inférieure. En outre, la fig. 2 montre que des rendements supérieurs peuvent être obtenus en concentrant les impuretés dans un volume de métal plus faible.

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Claims

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1. Procédé de purification d'aluminium impur par cristallisation fractionnée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant:

a) à introduire une masse d'aluminium impur à l'état fondu dans un récipient en vue de sa purification;

b) à enlever de la chaleur à la surface de la masse d'aluminium impur dans le but d'en enlever les impuretés eutectiques par formation de cristaux d'aluminium, lesdits cristaux ayant une pureté supérieure à celle de l'aluminium liquide restant constituant la fraction restante dans laquelle sont concentrées les impuretés, les cristaux étant éloignés de la surface à laquelle on enlève la chaleur, une partie des cristaux se rassemblant en un lit proche de la partie inférieure du récipient, et c) à introduire de la chaleur dans la masse d'aluminium près de sa partie inférieure dans le but de fondre une partie des cristaux qui sont rassemblés près de la partie inférieure du récipient, ce qui fait que la partie fondue se déplace à travers le lit des cristaux du fait que les cristaux s'éloignent de la surface d'enlèvement de la chaleur et grâce à quoi la partie fondue amène les impuretés vers la partie supérieure de la masse.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cristaux sont tassés par compression dans le but d'exprimer la partie fondue à nouveau et de concentrer les impuretés dans la partie restante hors du lit de cristaux et vers la partie supérieure de la masse.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'aluminium liquide dans lequel sont concentrées les impuretés est enlevé du récipient à l'aide d'une sortie supérieure dans ledit récipient, en évitant ainsi la contamination des cristaux de pureté élevée.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les cristaux d'aluminium sont fondus à nouveau après enlèvement de la fraction impure, la refonte étant facilitée par application de chaleur près de la partie inférieure du lit de cristaux.

5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chaleur est introduite dans l'étape c à raison de 5 à 30 kW/m2 de surface de chauffage.

6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chaleur est introduite dans l'étape c à raison d'un flux qui n'est pas inférieur à 10 kW/m2 de surface de chauffage.

7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la chaleur est introduite dans l'étape c à raison de 5 à 25% du taux auquel la chaleur est enlevée dans l'étape b.

8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chaleur est introduite dans l'étape c après que les cristaux ont été rassemblés en un lit proche de la partie inférieure du récipient.