Brevet FR2480790A1 — publié le 19811023

La présente invention concerne l'aluminium et plus particulièrement la production carbothermique d'un allia- ge d'aluminium et la séparation de l'aluminium métallique de son alliage. De nombreux travaux de recherche ont été effectués dans le passé sur l'extraction par fusion carbothermique de l'aluminium. P.T. Stroup a publié un article intitulé "Carbothermic Smelting of Aluminium" dans les Transactions of the Metallurgical Society of AIME, vol. 230, p. 356-371 (1964), qui fait l'historique du travail effectué sur l'extraction par fusion de l'aluminium par voie carbo- thermique. Il existe des exemples de production industrielle d'alliages d'aluminium, en particulier d'alliages alumi- nium-silicium par réduction par le carbone en utilisant un four à arc électrique. Mais on n'a pas réussi jusqu'à présent à préparer un aluminium de haute pureté, compa- rable au métal fourni par le procédé électrolytique d'ex- traction par fusion Hall-Héroult existant. Frederick Wf. Frey et al. ont suggéré dans les bre- vers des E.U.A. NO 3.661.561 et 3.661.562 un procédé de production d'alliages aluminium-silicium dans un haut- fourneau qui consiste à utiliser une charge contenant du carbone, un minerai d'aluminium et de silicium et d'oxy- gène pur, et un lit de four contenant des amas de carbure de silicium. Contrairement aux explications de ces bre- vets, la forme sous laquelle se trouve le carbone et aus- si la forme sous laquelle se trouve la charge mixte et leur résistance sont tout à fait déterminantes en ce qui concerne le fonctionnement du haut-fourneau. Une caracté- ristique particulière du haut-fourneau sidérurgique est la production de masse de fonte brute en utilisant un coke en morceaux de haute résistance dans un four à cuve verti- cale. Les conditions de fonctionnement du haut-fourneau à aluminium sont beaucoup plus rigoureuses que celles du haut-fourneau sidérurgique, en raison de la température plus élevée de réduction de l'alumine. Celle-ci exige un coke d'une résistance suffisante pour ne pas se désinté- grer sous la charge du four à cuve; on peut alors con- server une bonne perméabilité pour le courant gazeux as- cendant en conservant la zone de coke en morceaux. Subodh K. Das et al., dans le brevet des E.U.A. N 4.046.558, décrivent la production carbothermique d'al- liages aluminium-silicium à partir de matières contenant de l'alumine et de la silice, telles que l'anorthosite et la bauxite. Dans ce procédé, le mélange, qui est de préfé- rence amené sous forme de briquettes, peut être réduit dans un hautfourneau ou dans un four électrique. En vue de la réduction et du chauffage dans un haut-fourneau, le mélange doit contenir 55 à 90 % en poids de carbone. La briquette, qui est simplement mélangée à du minerai et à du coke, n'aura pas une résistance suffisante pour le fonctionnement du haut-fourneau, elle se désintégrera bientôt au cours de sa descente dans la cuve et obstruera le passage du courant gazeux. Cochran et al., dans le brevet des E.U.A. N 4.053.303, décrivent un procédé de production carbother- mique d'alliages aluminium-silicium consistant à amener un mélange contenant des sources d'alumine, de silice et de carbone, à une température dans l'intervalle de 1500 à 16000 C dans un premier stade, dans l'intervalle de 1600 à 19000 C dans un second stade, et dans l'intervalle de 1950 à 22000C dans un troisième stade. L'oxyde de carbone et les autres effluents gazeux formés au premier stade doi- vent être éliminés sans traverser les matières formées au cours du traitement ultérieur à haute température. Cochran suggère que le mélange peut être réduit dans un haut-fourneau, mais rien n'est indiqué concernant la fa- çon d'effectuer cette opération dans le haut-fourneau. Dans le fonctionnement du haut-fourneau moderne pour la fabrication de la fonte brute, on a surtout uti- lisé de l'air enrichi en oxygène. Le but de l'utilisation d'air enrichi en oxygène est d'augmenter la température avec une quantité d'air inférieure et d'augmenter le rendement de la production de fer. Le développement tech- nologique récent du haut-fourneau sidérurgique ouvre la voie à une augmentation de la température suffisante pour produire un alliage d'aluminium par réduction carbother- mique dans le haut-fourneau. Ceci est le fondement de l'invention pour la pro- duction d'aluminium par réduction carbothermique dans le haut-fourneau. Un des buts de l'invention est la production d'a- luminium à partir de matières contenant de l'alumine. Un autre but de l'invention est la production carbothermique d'aluminium à partir de minerais ayant une faible teneur en aluminium. Le procédé consiste à utiliser comme sources de matières contenant de l'alumine de l'argile, de la kaoli- nite, de l'agalmatolite, de la bauxite, un schiste alumi- neux, et comme source de matière carbonée une houille grasse. On mélange les matières contenant de l'alumine et le charbon et on les amène sous forme de briquettes. Les briquettes sont exposées directement aux gaz non-oxy- dants dans l'intervalle de températures de 600 à 9000. La durée de cokéfaction est de 20 à 50 minutes. Les bri- quettes cokéfiées contenant de l'alumine sont réduites carbothermiquement dans un haut-fourneau, qui est très semblable au haut-fourneau moderne pour la fabrication de la fonte brute. Le métal produit par réduction carbo- thermique dans le haut-fourneau contient de l'aluminium, du silicium et du fer. Il est épuré et absorbé par une pulvérisation de plomb fondu que l'on projette dans le four par une buse juste au-dessous du niveau de la tuyère. Les produits métalliques, mélangés à une grande quantité de plomb, sont soutirés par le bas du haut-four- neau et, après décantation dans un four de liquation, l'aluminium est séparé de la couche supérieure et purifié par distillation fractionnée. La figure 1 est une vue latérale d'une installation conforme à l'invention comportant une installation de preéparation, une unité de cokéfaction, le haut-fourneau et l'unité de Purification. Conformément à l'invention, l'aluminium est pro- duit carbothermiquement à partir de matières contenant de l'alumine par réduction directe par le carbone dans le haut-fourneau. De nombreux travaux de recherche ont été effectués sur la réduction carbothermique de l'alumine. La réaction chimique de réduction de l'alumine est la suivante: A1203 + 3C = 2A1 + 3C0 (1) La réaction de l'équation (1) s'effectue de la gau- che vers la droite aux températures supérieures à 20400C, de préférence à 21OO C. Il est difficile de faire un lin- got d'aluminium à une température aussi élevée en raison de vaporisation et de la formation de carbure. Dans le cas de la coexistence de trois constituants, l'alumine, la silice et le carbone, il est connu que les réactions chimiques qui ont lieu à chaque stade de montée en température, sont les suivantes Premier stade: 1200 - 19000 C SiO2 + C = SiO + CO (2) SiO2 + 2C = SiC + CO (3) SiO2 + 2SiC = 3Si + 2CO (4) 2A1203 + 3C = A1404C + 2C0 (5) Second stade: 1900 - 2000 C SiO + SiC = 2Si + C0 (6) 2A1203 + 9C = A14C3 + 6C0 (7) Troisième stade: 2000 - 2100 C A1404C + A14C3 = 8A1 + 4C0 (8) 2A14C3 + 3SiO2 = 8A1 + 3Si + 6C0 (9) A1203 + 3SiC = 2A1 + 3Si + 3C0 (10) Comme le montrent clairement les équatidns ci-des- sus, la réaction de réduction de l'alumine Dar le carbone conduira à l'oxycarbure d'aluminium (5) au Dremier stade, puis au carbure d'aluminium (7) et donnera enfin l'alumi- nium par réaction mutuelle de l'oxycarbure d'aluminium et du carbure d'aluminium conformément à l'équation (8). Dans la zone de températures comprise entre 2000 et 21000C, de l'aluminium et du silicium sont formés selon les équations (9) et (10) et les deux constituants se combineront immédiatement et formeront des alliages aluminium-silicium. Dans le cas de la coexistence d'oxyde de fer dans le système, la réduction de l'oxyde de fer commencera à 6000C et sera terminée à 15000C et il se i formera des alliages aluminium-silicium-fer. La production d'alliages aluminium-silicium par réduction carbothermique de matières contenant de la si- lice et de l'alumine a été réalisée dans un four à arc électrique à l'échelle semi-industrielle. Mais on n'a pas réussi jusqu'à présent à Utiliser à cet effet le haut- fourneau sur une grande échelle. Dans le fonctionnement du haut-fourneau classique, il est important de régler la répartition des tailles de particules des matières de charges et d'éviter le blocage de l'écoulement gazeux ascendant. Lorsqu'il se produit une ségrégation des matières de charge, celle-ci perturbe la marche régulière des réactions dans le haut-fourneau. Les particules de grandes dimensions tombent au milieu de la cuve, et les particules de petites dimensions à la périphérie, et par conséquent les gaz montent au milieu de la cuve, et non sur son pourtour, et l'écoulement vers le haut du courant gazeux n'est pas uniforme. Un des buts de l'invention est de fournir un procé- dé de fabrication de l'aluminium à partir de matières con- tenant de l'alumine Dar réduction carbothermique. Ce pro- cédé consiste à préparer des briquettes composées de ma- tières contenant de l'alumine, de la silice et de l'oxyde de fer, ainsi que du charbon, et à exposer les briquettes à un courant de gaz non oxydants à une température dans l'intervalle de 600 à 9000C pour fabriquer des briquettes cokéfiées contenant de l'alumine. On introduit ces bri- quettes cokéfiées dans un haut-fourneau semblable à celui servant à fabriquer la fonte brute. Les briquettes coké- fiées, introduites chaudes au haut du haut-fourneau, tom- bent dans la cuve et sont chauffées à une température de 2000 à 21000C au niveau des tuyères. Les réactions de ré- duction de l'alumine, de la silice et de l'oxyde de fer s'effectuent, et il se forme des alliages aluminium-sili- cium-fer. Puis, on projette du plomb fondu sur les goutte- lettes d'alliage, et l'aluminium est absorbé par le plomb. Le procédé de l'invention permet d'utiliser des matières premières variées: l'argile, la kaolinite, la bauxite, les schistes alumineux, l'agalmatorite et n'im- porte quelle autre matière contenant de l'alumine,. Mais il est préférable d'utiliser des teneurs en alumine et en silice dans le rapport molaire de 1: 1 et mieux encore d'utiliser un excès de silice inférieur à 2 moles de sili- ce pour 1 mole d'alumine.-Pour obtenir ce rapport, on peut ajouter de l'alumine du commerce ou du sable de si- lice. Dans ce mode de préparation, on ajoute de la houil- le grasse sous forme pulvérisée. Lorsque la matière pre- mière n'a pas de pouvoir liant, il est préférable d'ajou- ter une petite quantité d'un liant tel que de la chaux, l'aluminate de calcium, ou la liqueur sulfitique. On ma- laxe soigneusement ces mélanges et on lestransporte pour lesmettre sous forme de briquettes. Puis, on expose les briquettes au courant de gaz non oxydant, par exemple aux produits de combustion du gaz de sortie du haut-four- neau, dont la teneur en oxygène est inférieure à 1 % et dont la température est comprise entre 600 et 9000C pen- dant une courte durée, par exemple entre 20 et 50 minutes. Cette opération de cokéfaction directe élimine la matière volatile du charbon et produit une briquette cokéfiée contenant de l'alumine possédant une structure cokéfiée poreuse. La présente invention s'effectue dans un haut-four- neau classique, dont la matière de charge est constituée de briquettes cokéfiées contenant de l'alumine. Ce haut- fourneau est chauffé avec du mazout, du gaz combustible ou du coke pulvérisé avec de l'air enrichi en oxygène, exactement comme pour la fabrication de la fonte brute dans un haut-fourneau moderne. La caractéristique parti- culière de l'invention réside dans l'introduction de la charge de briquettes cokéfiées contenant de'l'alumine à l'état chaud dans le hautfourneau, aussitôt après leur sortie de l'unité de cokéfaction. Il n'est pas nécessaire d'introduire séparément ou alternativement le minerai et le coke dans le haut-fourneau.- Lors du fonctionnement du haut-fourneau pour la production du fer, il est important de régler la réparti- tion des dimensions des matières de charge telles que le minerai de fer et le coke. Dans cette invention, cepen- dant, les matières de charge ont la même forme, les mêmes dimensions, la même porosité, et leur résistance au cou- rant de gaz ascendant sont à peu près les mêmes en tout point de la cuve du haut-fourneau. En outre, les briquet- tes cokéfiées ont d'innombrables micropores dans leur structure cokéfiée et des surfaces spécifiques importan- tes. Les briquettes cokéfiées contenant de l'alumine possèdent une résistance suffisante oour résister à la charge et à l'abrasion pendant leur descente dans la cuve du four, et elles ne se désintègrent pas avant leur arri- vée dans la zone de fusion près du niveau des tuyères du haut-fourneau. Par conséquent, le courant ascendant de gaz de haut-fourneau est régulier et rapide au cours du fonctionnement continu du haut-fourneau. Le tableau I donne une comparaison de la résistance à la compression et de la surface spécifique entre la briquette cokéfiée formée conformément à l'exemple 1 de la présente invention et la briquette fabriquée par simple pressage de minerai et de coke. TABLEAU I Article Briquette Briquette Notes cokéfiée de pressée de l'invention mélange de minerai et de coke Résistance à la com- Essai pression 13,7 5, 3 Amsler MPa Surface Méthode spécifique 48 20 BET 2 BET m2/g Dans la présente invention, les réactions chimi- ques depuis les réactions du premier stade, correspondant aux équations (2), (3), (4), (5) jusqu'aux équations du second stade (6), (7) s'effectuent en continu dans la zone du milieu de la cuve, et les réactions correspondant aux équations du troisième stade (8), (9), (10) s'effec- tuent en bas, au voisinage du niveau des tuyères du haut- fourneau. Dans l'invention, du plomb fondu est projeté dans le haut-fourneau à un niveau situé au-dessous des tuyères, de façon à entrer en contact avec les gouttelettes d'alli- age aluminium-silicium-fer à l'état naissant et à réali- ser un échange de chaleur entre les alliages à haute tem- pérature et le plomb à basse température, et à les trans- former en des alliages plomb-aluminium par absorption de l'aluminium dans le plomb. Le plomb n'absorbe pas l'alu- minium à 6600C, point de fusion de l'aluminium, mais la solubilité de l'aluminium dans le plomb atteint. 2 % à 12000C et augmente avec la température. La tension de vapeur du plomb est faible et la perte par volatilisation du plomb est négligeable. Les alliages de plomb fondu contenant de l'alumi- nium sont soutirés au bas du haut-fourneau dans le pot de liquation. Le plomb qui se dépose au bas du pot est soutiré pour être recyclé dans le haut-fourneau. L'alumi- nium recueilli à la partie supérieure du pot de liquation est soutiré en vue de sa purification ultérieure. Une faible quantité de plomb restant dans l'aluminium est éliminée par distillation fractionnée sous pression ré- duite. Le dessin annexé sera maintenant expliqué en dé- tail. L'argile est broyée et mélangée au charbon dans un broyeur à plat 1 classique. Le mélange est éle- vé par un élévateur 2, et il est introduit dans une ma- chine à briqueter 3. Les briquettes crues sortant de la machine à briqueter sont introduites grâce à un wagonnet accumulateur 4 dans une trémie tournante 5 d'unité de cokéfaction 6. L'unité de cokéfaction comprend une cham- bre de cokéfaction 7 au milieu de la structure du four et la chambre de cokéfaction est garnie des deux côtés de structures réfractaires perforées. Des gaz non oxydants tels que des produits de combustion de gaz de sortie de haut-fourneau traversent la colonne de briquettes crues à la température de 600 à 9000C, et chassent les matières volatiles du charbon par contact direct avec le gaz. Les briquettes contenant de l'alumine cokéfiées sont produi- tes par cette opération de cokéfaction directe de l'in- vention. on préfère choisir une durée de traitement de cokéfaction de 20 à 50 minutes. Lorsque la durée de coké- faction est supérieure à 50 minutes, le carbone fixé dans le mélange de charbon commence à brûler, ce qui entraîne un abaissement de la résistance des briquettes cokéfiées accompagnée d'une perte de carbone fixé. Les briquettes cokéfiées chauffées au rouge qui sortent de l'unité de cokéfaction sont immédiatement mon- tées en haut du haut-fourneau au moyen d'un monte-charge incliné 8 et sont introduites dans un haut-fourneau 10 par une cloche 9 de type classique. Les briquettes intro- duites tombent régulièrement sans aucune ségrégation de particules. L'air pour la combustion est soufflé dans le four par une tuyère Il qui est reliée à un cowiPer 19. Le gaz brûlé est évacué par le haut du four et réutilisé en passant par un collecteur de poussières 12. La zone à haute température (2000 - 21000C) est formée au niveau de la tuyère 11, les matières introdui- tes sont soumises aux réactions de réduction du stade final produisant des alliages aluminium-silicium-fer et tombent dans un creuset 20 du bain métallique au bas du haut-fourneau. Du plomb fondu est projeté dans le haut- fourneau par une buse 13 qui est placée entre le niveau des tuyères et le niveau du bain métallique, et les gout- telettes d'alliage aluminium-silicium-fer sont absorbées par le plomb et transformées en alliage aluminium-plomb. Cet alliage de plomb passe du creuset 20 du bain métal- lique dans un pot de liquation 15 par une conduite 14. Le plomb et l'aluminium sont séparés en deux couches dans le pot de liquation, l'aluminium est évacué par le haut et le plomb est soutiré du bas du pot par une conduite 17. L'aluminium est soutiré par une conduite 16 et envoyé dans un dispositif 18 de purification par distillation fractionnée. Le silicium présent dans l'alliage d'alumi- nium est séparé par le traitement au plomb. Le fer de l'alliage est lui aussi presque parfaitement séparé de l'aluminium par le traitement au plomb. Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. EXEMPLE 1. On a utilisé comme matière première dans ce procé- dé une argile EIATE présentant la composition suivante: % en poids A1203 34,14 SiO2 46,68 Fe203 4,74 Dans ce cas, la teneur en silice est élevée, on ajoute donc de l'alumine de qualité commerciale cour ajuster un excès molaire de la silice par rapport à l'a- lumine de 50 %. Les proportions de mélange des matières -sont les suivantes Parties en poids argile IWATE 43,5 alumine 8,7 houille grasse 47,8 charge de recyclage 8,7 Total 108,7 On broie chacune des matières, on la fait passer à travers un tamis de 1,65 mm d'ouverture de mailles, et on la malaxe dans un broyeur à plat. On ajoute un faible pour- centage d'aluminate de calcium comme liant, puis on transporte, on le mélange à la machine à briqueter. Les briquettes ont 110 -mm de long, 75 mm de large, 65 mm d'épaisseur, elles sont du type en coussins, et leur poids est de 500 g. On introduit les briquettes dans la chambre de cokéfaction et on fait passer les gaz de com- bustion, à une température de 8000C, à travers la colonne de briquettes. Les matières volatiles présentes dans le mélange de charbon sont complètement chassées par le con- tact direct du courant de gaz chaud pendant 30 minutes, formant les nombreux micropores présents dans les bri- quettes cokéfiées contenant de l'alumine. La résistance de ces briquettes cokéfiées, mesurée au moyen de la ma- chine d'essai de compression d'Amsler, est de 13,7 MPa. La densité apparente de ces briquettes cokéfiées est de 1,3, leur poids de remplissage est de 845 kg/m3 et le rapport de vide dans l'espace du four est de 35 %. Par conséquent, un haut-fourneau moderne ayant un volume intérieur de 4000 m3 peut contenir près de 3400 t de briquettes cokéfiées. On introduit les briquettes cokéfiées chaudes au sommet du haut-fourneau et, lors de leur chute dans la cuve, on les chauffe à une température de 2000 - 21000C au niveau des tuyères. On projette du plomb fondu dans le haut-fourneau sous le niveau des tuyères. Le plomb absorbe l'aluminium, le transformant en alliage plomb-aluminium. L'alliage de plomb est soutiré du bas du haut-fourneau et envoyé dans le pot de liquation. Après dépôt pendant plusieurs heures, l'aluminium est soutiré de la couche supérieure, et il est soumis à un traitement de purifica- tion par distillation fractionnée sous pression réduite. La quantité d'aluminium métallique recueillie dans cet exemple est de 10 parties pour 100 parties de briquettes cokéfiées. EXEMPLE 2. On utilise comme matière première dans ce procédé une argile HOOTOKU ayant la composition suivante: % en poids Al2O3 27,96 SiO2 54,82 Fe 203 1, 76 Dans ce cas, la teneur en silice est très élevée, on ajoute donc de l'alumine de qualité commerciale de telle sorte que la silice soit dans un excès molaire de % par rapport à l'alumine. Les proportions de mélange des matières sont les suivantes Parties en poids argile HOOTOKU 37,0 alumine 14,8 houille grasse 4872 charge de recyclage 9,3 Total 109,3 On traite les matières mélangées comme à l'exemple 1, et on recueille 10,5 parties d'aluminium métal pour parties de briquettes cokéfiées. Le tableau II donne une comparaison entre la pure- té de l'aluminium métal obtenu Dar ce procédé et celui obtenu par le procédé Hall-Héroult. TABLEAU Il. Exemple de composition * Composition Aluminium métal ob- Aluminium métal ob- tenu par le procédé tenu Dar le procédé en haut-fourneau de électrolytique Hall- l'invention Heroult existant A1l > 99,0 > 99,0 Si 0,04 0,04 Fe 0,03 0,16 Pb 0,02 O,OO REVENDICATIONS 1. Procédé de production carbothermique d'alumi- nium métallique à partir de matières contenant de l'alu- mine, de la silice et de l'oxyde de fer, caractérisé en ce que: a) on amène un mélange contenant des sources d'alu- mine, de silice, d'oxyde de fer et de carbone, à une tem- pérature comprise entre 600 et 9000C, en contact direct avec un gaz non oxydant Dour former des briquettes coké- fiées contenant de l'alumine, b) on porte ces briquettes cokéfiées à une tempéra- ture comprise entre 2000 et 21000 C pour former des allia- ges aluminium-silicium-fer c) on projette du plomb fondu sur ces alliages alu- minium-silicium-fer alors qu'ils sont à l'état naissant pour faire absorber l'aluminium par le plomb fondu et les transformer en alliages aluminium-plomb, d) on sépare l'aluminium du plomb par liquation et distillation fractionnée. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange contient 35 à 50 % en poids de car- bone sous forme de houille grasse. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la silice et l'alumine sont dans un rapport molaire de 1:1 à 2:1. 4. Procédé de production carbothermique d'aluminium métallique à partir d'alumine, de silice et de matières contenant de l'oxyde de fer, caractérisé en ce que: a) on part d'un mélange contenant des sources d'a- lumine, de silice, d'oxyde de fer et de carbone pour for- mer des briquettes cokéfiées dans un four de cokéfaction, b) on porte ces briquettes cokéfiées à une tempéra- ture de 2000 à 21000 C dans un haut-fourneau, c) on projette du plomb fondu au-dessous du niveau des tuyères en bas du haut-fourneau pour faire absorber l'aluminium par le plomb, d) on fait passer l'alliage aluminiumplomb du bas du haut-fourneau dans un pot de liquation pour séparer l'aluminium et le plomb, e) on amène l'aluminium du pot de liquation dans un pot de distillation fractionnée pour éliminer le plomb résiduel présent dans l'aluminium. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les matières contenant de l'aluminium sont l'ar- gile, la kaolinite, l'agalmatorite, les schistes alumi- neux et la bauxite. 6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que dans l'étape a), on expose directement les bri- quettes crues à un gaz non oxydant, dont la teneur en oxygène est inférieure à 1 %, dans le four de cokéfaction. 7. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que dans l'étape a), on expose directement les bri- quettes crues à un gaz non oxydant dont la température est comprise entre 600 et 9000C dans le four de cokéfac- tion. 8. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que dans l'étape a), on expose directement les bri- quettes crues à un gaz non oxydant pendant une durée de à 50 minutes dans le four de cokéfaction.