Brevet FR2572393A1 — publié le 19860502

PROCEDE D'OBTENTION DE REFRACTAIRE D'OXYNITRURE D'ALUMINIUM La présente invention a trait à un procédé pour la fabrication d'oxynitrure d'aluminium et plus particulièrement à un procédé pour la fabrication de réfractaire d'oxynitrure d'aluminium utilisant des scories d'aluminium comme matériau de départ en vue de produire le nitrure désiré. I1 est connu d'obtenir de l'oxynitrure d'aluminium représenté par la formule chimique mA1203,nAlN par chauffage en vue de fritter un mélange d'alumine micronisée avec un nitrure d'aluminium en poudre. L'oxynitrure d'aluminium ainsi obtenu présente une résistance satisfaisante au feu et à la chaleur et possède une résistance à la corrosion environnante dans le métal fondu, et par suite, est destiné à être utilisé de manière extensive comme matériau réfractaire en particulier pour emploi dans une atmosphère réductrice. L'oxynitrure d'aluminium peut être obtenu, comme décrit ci-dessus, par chauffage dans des conditions de frittage d'un mélange de poudre d'alumine et de poudre de nitrure d'aluminium. Quand on utilise ce procédé, le réfractaire résultant est inévitablement cher. Ceci provient du fait que le procédé particulier de frittage rend nécessaire l'emploi comme matériau brut d'une alumine dont la finesse doit être réglée de manière extrêmement précise pour avoir un diamètre de particules de l'ordre de quelques micromètres au plus et, en conséquence, ce procédé est relativement cher lorsque l'on utilise comme matériau de départ une poudre de nitrure d'aluminium. Par suite, d'autres procédés ont été proposés, qui utilisent comme matériau de départ pour la fabrication de réfractaire d'oxynitrure d'aluminium, de l'alumine obtenue par le procédé Bayer et qui est produite commercialement en quantité et est donc disponible à bas prix. Dans la description du brevet japonais SF30 53(1978)-14,247, par exemple, on décrit un procédé qui réalise l'incorporation d'azote dans de l'alumine fondue électriquement et provenant du procédé Bayer et qui effectue la fusion par voie électrique de cette alumine dans une atmosphère de gaz azote. Par ce procédé, cependant, on ne peut obtenir un réfractaire ayant un pourcentage d'azote élevé du fait qu'il est difficile d'incorporer une quantité adéquate d'azote dans l'alumine. Dans la description du brevet japonais SF30 52(1977)50,040, on décrit un procédé pour la fabrication de réfractaire d'alumine contenant de l'azote qui consiste à mélanger de l'alumine obtenue par le procédé Bayer avec une poudre d'aluminium métallique et à effectuer la fusion par voie électrique du mélange résultant dans une atmosphère contenant de l'azote (y compris l'atmosphère naturelle). Le procédé décrit dans ce document consiste à transformer au cours de la fusion électrique la poudre d'aluminium métallique, préalablement incorporée à l'alumine, en nitrure d'aluminium par une réaction de nitruration et à réaliser l'incorporation du nitrure d'aluminium dans l'alumine fondue. En comparaison avec le procédé décrit dans le brevet japonais SF30 53(1978)-14,247, ce procédé est susceptible de produire un réfractaire à pourcentage d'azote notablement élevé. Néanmoins, ce procédé présente les inconvénients suivants. Plus précisément, le procédé décrit dans le brevet japonais SF30 52(1977)-50,040 consiste à préparer un mélange linéaire d'alumine provenant du procédé Bayer avec une poudre d'aluminium métallique et à effectuer la fusion par voie électrique du mélange résultant dans une atmosphère contenant de l'azote (y compris l'atmosphère naturelle) de manière à permettre à la poudre d'aluminium métallique incorporée dans l'alumine de se transformer en nitrure d'aluminium et à réaliser l'incorporation du nitrure d'aluminium dans l'alumine fondue.Lorsque ce procédé de réaction est mis en oeuvre en utilisant l'air comme atmosphère contenant de l'azote, la poudre d'aluminium métallique incorporée dans l'alumine est nitrurée et, en merlle temps, une très grande partie de la poudre d'aluminium métallique est oxydée par l'oxygène de l'air Ce procédé, cependant, présente l'inconvénient que la poudre d'aluminium métallique employée n'est pas totalement utilisée de maniera effective et, il en résulte que le pourcentage d'azote qu'il produit ne peut être standardisé aisément entre les différents lots de fabrication.Dans le but d'éliminer cet inconvénient et d'assurer l'utilisation effective de la poudre d'aluminium métallique employée au cours de cette fabrication, il devient nécessaire de maintenir le four électrique contenant l'alumine à l'état totalement fermé et étanche et de mettre en oeuvre la fusion électrique en remplissant complètement l'intérieur du four avec une atmosphère constituée uniquement de gaz azote. Par suite, l'opération se complique et le coût de l'installation devient élevé. Compte-tenu de la situation évoquée ci-dèssus, les inventeurs ont entrepris diverses études dirigées vers une production de masse bon marché d'un réfractaire dloxynitrure d'aluminium plus efficace que par le procédé conventionnel utilisant de l'alumine provenant du procédé Bayer comme matériau brut. Ils ont été amenés à prendre en compte le fait que les scories d'aluminium en question qui constituent les résidus d'une installation de raffinage ou de fusion d'aluminium comportent de manière prépondérante de fines particules de A1203 produites par l'oxydation spontanée de l'aluminium fondu et comporté, de plus, un composant d'azote sous la forme d'AlN intimement mélangé aux fines particules d'A12o3. Ils ont suite trouvé que lorsque l'alumine proveprovenant du procédé Bayer est mélangée avec ces scories d'aluminium et que le mélange résultant est fondu par voie électrique dans un fur électrique de la même manière que dans la fabrication conv-ntionnelle d'alumine fondue, le composant AîN présent dans les scories et les fines particules d'A1,O3 constituant le composant principal des scories, sont mutuellement liés par la chaleur appliquée et le matériau composite lié résu ant est incorpore aisément dans la masse fondue de l'alumine provenant du procédé Bayer pour donner de l'alumine fondue contenant de l'azote. La présente invention est basée sur ces connaissances acquises. Plus particulièrement, la présente invention attrait à un procédé de fabrication d'un réfractaire d'oxynitrure d'aluminium caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger de l'alumine obtenue par le procédé Bayer avec des scories d'aluminium et à fondre par voie électrique le mélange résultant dans un four électrique. Comme décrit ci-dessus, la présente invention consiste en un procédé de fabrication d'un réfractaire d'oxynitrure d'aluminium utilisant l'alumine du procédé Bayer comme matériau bruit, mélangeant cette alumine avec des scories d'aluminium et fondant par voie électrique le mélange résultant de manière à réaliser l'incorporation d'azote dans l'alumine fondue. Comme source d'alumine utilisable dans le procédé de la présente invention, on peut utiliser sous forme non modifiée l'alumine disponible commercialement et obtenue par le procédé Bayer. Les scories d'aluminium susceptibles d'être utilisées comme source d'azote sont les résidus gui subsistent après récupération du composant aluminium -métallique de la manière la plus complète possible à partir des scories qui se produisent dans une installation de raffinage ou de fusion d'aluminium. Ces scories comprennent de manière prépondérante de fines particules d'Al203 produites par oxydation spontanée d'aluminium fondu et comporte,.en outre, un composant d'azote sous la forme d'AlN intimement mélangé auxdites particules fines d'A1203. Elles comportent une petite quantité de composant aluminium métallique adhérant auxdites particules sous forme de résidus. üne composition typique des scories d'aluminium est indiquée dans le tableau 1 ci-après. TABLEAU 1 - Composition typique de scories d'aluminium Aluminium Al2O3 AlN : métallique : Autres : : 60 à 80% : 5 à 15% : 5 à 15% : Complément Suivant le procédé de la présente invention, les scories d'aluminium et l'alumine du procédé Bayer sont mélangées et, ensuite, le mélange est fondu par voie électrique. Dans ce cas, le rapport de mélange des scories et de l'alumine peut être fixé de manière appropriée en prenant en considération le pourcentage en azote des scories et le pourcentage en azote final du réfractaire fondu. Puisque les scories d'aluminium sont une forme de déchets produits lors de la fusion de l'aluminium comme décrit ci-dessus, elles n'ont toutefois pas de composition fixée.Ainsi, le pourcentage d'azote des scories peut varier largement dans une plage de 5 à 15% pour ce qui concerne l'AlN, d'une production à l'autre. Dans le procédé selon la présente invention, lorsque les scories d'aluminium choisies comme matériau brut contenant de l'azote comportent un pourcentage d'azote relativement faible et que le réfractaire que l'on désire obtenir doit avoir un large pourcentage d'azote, la quantité de scories à mélanger avec l'alumine provenant du procédé Bayer doit être suffisamment large. Lorsque les scories d'aluminium sont utilisées en grande quantité comme indiqué ci-dessus, il est possible que ces scories, qui sont sous la forme de fines particules, soient largement dispersées et perdues durant la fusion électrique du mélange et que les impuretés entraînées par les scories se fraient un chemin dans le réfractaire et altèrent ainsi sa pureté. Lorsque les scories sélectionnées comportent un pourcentage d'azote faible et que l'alumine produite a tendance à avoir un pourcentage élevé d'azote, alors, il est souhaitable que les scories d'aluminium à utiliser soient soumises à l'avance à un traitement de nitruration afin de voir son pourcentage d'azote suffisamment relevé au préalable. La nitruration des scories peut être réalisée, par exemple, en plaçant les scories dans un récipient réfractaire d'alumine et en chauffant celui-ci dans une atmosphère de gaz azote à une température comprise entre 600 et 700 C environ. Du fait de l'application de la chaleur, l'aluminium métallique demeurant dans les scories commence à subir une réaction de nitruration et la chaleur de cette réaction relève en outre la température du système réactif et, par suite, l'aluminium métallique contenu dans les scories est sensiblement complètement transformé en A1N, avec pour résultat que le pourcentage d'azote des scories est accru. Lorsque les scories à utiliser ont un faible pourcentage d'aluminium métallique ou lorsque le réfractaire d'oxynitrure d'aluminium à obtenir doit avoir un pourcentage particulièrement élevé d'azote, l'augmentation désirée du pourcentage d'azote du réfractaire produit est atteinte en ajoutant une quantité appropriée d'aluminium métallique aux scories avant que celles-ci ne subissent le traitement de nitruration. Dans ce cas, la facilité avec laquelle la réaction de nitruration des scories s'opère, s'accroit en même temps que la taille des particules de l'aluminium métallique ajouté aux scories diminue. Indépendamment de cette conséquence, l'aluminium métallique ainsi ajouté ne doit pas toujours nécessairement être finement divisé. I1 peut être ajouté sous forme de fins granules, de fines bandes minces, ou de fins copeaux.Si la quantité d'aluminium métallique ajoutée aux scories est trop importante, du fait que la chaleur appliquée fait fondre et agglomérer l'aluminium métallique ajouté, il est alors possible que la réaction de nitruration s'arrête et que l'aluminium métallique demeure sous forme inaltérée dans le résidu de la réaction de nitruration. I1 est, par suite, souhaitable que la quantité d'aluminium métallique ajoutée aux scories n'excède pas environ 50% en poids. Ensuite, on fait fondre par voie électrique le mélange de l'alumine du procédé Bayer avec les scories d'aluminium dans leur forme non modifiée, ou bien avec les scories d'aluminium après soumission préliminaire au traitement de nitruration indiqué ci-dessus. Cette fusion électrique peut être mise en oeuvre dans l'atmosphère, dans un four à arc à courant alternatif utilisant une électrode de carbone, par exemple, de la meme manière que dans la production conventionnelle d'alumine fondue. Du fait de cette fusion électrique, le composant A1N dans les scories et les fines particules c'A1203 constituant le composant principal des scories sont mutuellement liés et le composite lié résultant est incorporé dans la masse fondue de l'alumine du procédé Bayer pour donner une alumine fondue contenant de l'azote. La masse fondue ainsi obtenue peut être directement coulée dans une matrice de moulage pour obtenir un réfractaire moulé. La masse fondue peut aussi etre solidifiée et ensuite pulvérisée en une taille de particules appropriée et utilisée comme composant d'agrégation pour des réfractaires frittés et des réfractaires moulables. Comme décrit ci-dessus, la présente invention consiste en un procédé de fabrication ' d'un réfractaire d'oxynitrure d'aluminium utilisant l'alumine du procédé Bayer disponible de manière bon marché et en grande quantité et les scories formées lors de la fusion de l'aluminium dans une installation de raffinage ou de fusion d'aluminium. Ainsi, les matériaux bruts sont bon marché. La fusion du mélange de l'alumine avec les scories n'est pas nécessairement mise en oeuvre dans un four électrique parfaitement étanche dans une atmosphère de gaz azote comme décrit dans la description du brevet japonais Sa-lo 52(1977)-5QV040O Au contraire, elle peut être mise en oeuvre de manière effective dans une atmosphère similaire a celle de la production conventionnelle d'alumine fondue. La présente invention a l'avantage que le coût d'équipement est faible et sa mise en oeuvre est facile à réaliser et des réEractaires fondus à pourcentage élevé d'azote peuvent être obtenus en masse. On va maienant décrire plus en détail la présente invention à laide exemples spécifiques de mise en oeuvre. Exemple 1 On a prépara un mélange comportant 100 parties en poids de scories il'aluminium (composition : 75% de Al2O3, 13 5% d'AlN et 6% d'aluminium métallique) et 50 parties en poids d'alumine provenant du procédé Bayer. On a fondu sous 75 Volts et 200 Ampères, pendant deux heures environ, 20 kg de ce mélange dans un four à arc à courant électrique alternatif triphasé de 30 kVA de puissance nominale. On a ainsi obtenu un lingot d'oxynitrure d'aluminium d'un poids d'environ 19 kg. Lorsque ce lingot a été broyé et analysé, on a trouvé qu'il avait un pourcentage d'azote moyen d'environ 3,1. Exemple 2 : On a préparé un mélange comportant 100 parties en poids des mêmes scories d'aluminium que dans l'exemple 1 et 100 parties en poids d'alumine obtenue selon le procédé Bayer. On a fondu pendant environ deux heures, dans le même four à arc que dans l'exemple 1, environ 20 kg du mélange résultant. On a ainsi obtenu un lingot d'oxynitrure d'aluminium d'un poids d'environ 19 kg. Ce lingot, lors de l'analyse, a révélé un pourcentage d'azote moyen d'environ 2,4. Exemple 3 : On a placé des scories d'aluminium (composition : d'A1203, 6% d'AlN et 11% d'aluminium métallique) dans un récipient en réfractaire d'alumine à haut pourcentage d'alumine, et le gaz à l'intérieur du récipient a été remplacé par du gaz azote introduit par le haut et dirigé vers le bas. Dans l'atmosphère résultante d'azote, -les scories d'aluminium ont été chauffées à l'aide d'un brûleur pendant environ 20 minutes pour réaliser un traitement de nitruration. La composition des scories nitrurées résultantes est indiquée dans le tableau 2 ci-après. TABLEAU 2 : : Aluminium 2 3 : A1N : métallique : : 68% : 21% On a préparé un mélange comportant 100 parties en poids d'alumine selon le procédé Bayer et 80 parties en poids des scories nitrurées mentionées ci-dessus. On a fondu sous 75 Volts et 200 Ampères, pendant environ deux heures, 20 kg du mélange ci-dessus dans un four à arc à courant électrique alternatif triphasé de 30 kVA de puissance nominale. On a ainsi obtenu un lingot d'oxynitrure d'aluminium d'un poids d'environ 19 kg. Lorsque ce lingot a été broyée et analysé il a révélé un pourcentage d'azote moyen d'envion 3,2. Exemple 4 On a mélangé minutieusement 100 parties en poids des mêmes scories d'aluminium que dans l'exemple 3 et 20 parties en poids de rubans d'aluminium métallique (carrés d'environ 4 mm). Le mélange résultant a été soumis au même traitement de nitruration sous atmosphère d'azote que dans l'exemple 3. La composition des scories nitrurées est indiquée dans le tableau 3 ci-après. TABLEAU 3 : : Aluminium : A12O3 : AlN : métalliqflè 54% : 37% ~ On a préparé un mélange comportant 100 parties en poids d'alumine selon le procédé Bayer et 40 parties en poids des scories nitrurées mentionnées ci-dessus. En suivant la procédure de l'exemple 3, on a fondu 20 kg du mélange résultant dans un four à arc pendant environ 2 heures. qn a ainsi obtenu un lingot d'oxynitrure d'aluminium d'un poids d'environ 19 kg. Ce lingot, lors de l'analyse, a révélé un pourcentage d'azote moyen d'environ 3,9. REVENDICATION Procédé de fabrication d'un réfractaire d'oxynitrure d'aluminium, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger de l'alumine avec des scories d'aluminium et à opérer la fusion par voie électrique du mélange résultant dans un four électrique.