Brevet FR2897365A1 — publié le 20070817

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de production d'aluminium raffiné. En particulier, la présente invention concerne un procédé de production d'aluminium raffiné par un procédé d'électroraffinage à trois couches utilisant une cathode constituée par un matériau de type graphite spécifique. ETAT DE LA TECHNIQUE Un procédé d'électroraffinage à trois couches est connu pour produire de l'aluminium raffiné ayant une pureté de 99,9 % en masse ou plus par raffinage d'aluminium brut (cf. "PRODUCTS AND MANUFACTURING TECHNOLOGY OF ALUMINUM", 30 octobre 2001, p. 117 (Japan Institute of Light Metals) et "ADVANCES IN RESEARCHES AND TECHNOLOGY OF LIGHT METALS", 30 novembre 1991, p. 194-196 (Japan Institute of Light Metals). Comme le montre la figure 1, le procédé d'électroraffinage à trois couches utilise un four d'électroraffinage à trois couche (3) qui comprend une cathode (1) constituée par un matériau de type graphite pour raffiner l'aluminium par électroraffinage à trois couches et une anode (2) et forme, entre la cathode (1) et l'anode (2), une couche d'aluminium raffiné (Bl), une couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) et une couche fondue d'alliage mère anodique (B3) dans cet ordre, depuis la cathode (1). Dans ce procédé, un courant continu (I) circule de l'anode (2) à la cathode (1) tandis que de l'aluminium brut (B) est fourni à la couche fondue d'alliage mère anodique (B3), et l'aluminium raffiné (A) est précipité dans la couche d'aluminium raffiné (Bl). Ainsi, l'aluminium raffiné (A) est produit. Dans le procédé d'électroraffinage à trois couches, la couche d'aluminium raffiné (Bl), la couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) et la couche fondue d'alliage mère anodique (B3) sont chauffées à une haute température de 750 à 800 C sous l'effet du courant continu (I) qui les traverse et sont à l'état fondu. De plus, la cathode (1) est habituellement exposée à l'air. De ce fait, un matériau du type graphite constituant la cathode (1) doit s'user le moins possible à une température aussi élevée dans l'air. 2 RESUME DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de fournir un procédé pour produire de l'aluminium raffiné par un procédé d'électroraffinage à trois couches utilisant une cathode constituée par un matériau du type graphite 5 spécifique qui s'use moins à haute température dans l'air. Ainsi, la présente invention fournit un procédé pour produire de l'aluminium raffiné (A) au moyen d'un four d'électroraffinage à trois couches (3) qui comprend une cathode (1) et une anode (2) et qui forme, entre la cathode (1) et l'anode (2), une couche d'aluminium raffiné (B1), 10 une couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) et une couche fondue d'alliage mère anodique (B3) dans cet ordre depuis la cathode (1), lequel procédé comprend la circulation d'un courant continu (I) de l'anode (2) à la cathode (1) tout en fournissant de l'aluminium brut (B) à la couche fondue d'alliage mère anodique (B3), et la précipitation de l'aluminium 15 raffiné (A) dans la couche d'aluminium raffiné (B1), où ladite cathode (1) comprend un matériau de type graphite ayant une teneur en fer de 0,2 0/0 en masse ou moins et un taux surfacique de pores de 22 % ou moins à la surface du matériau de type graphite. 20 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 montre schématiquement une coupe transversale d'un four d'électroraffinage pour produire de l'aluminium raffiné par un procédé d'électroraffinage à trois couches. 25 DESCRIPTION DETAILLEE DES MODES DE REALISATION PREFERES Le matériau de type graphite constituant la cathode (1) du four d'électroraffinage (3) utilisé dans le procédé de la présente invention est constitué par un matériau de type graphite ayant une teneur en fer de 0,2 % en masse ou moins, de préférence de 0,15 % en masse ou moins. 30 Quand la teneur en fer dépasse 0,2 % en masse, le matériau de type graphite peut s'user en partie. En outre, le matériau de type graphite a un taux surfacique de pores de 22 % ou moins, de préférence de 20 % ou moins, à la surface du matériau de type graphite. Quand le taux surfacique de pores dépasse 35 22 %, le matériau de type graphite peut s'user partiellement. De préférence, le matériau de type graphite a une résistivité de 6 gm ou moins. Quand la résistivité du matériau de type graphite dépasse 6 g2m, la perte d'énergie augmente du fait de la génération de chaleur par une cathode constituée par un tel matériau de type graphite. En général, un matériau de type graphite est produit par façonnage d'une poudre de coke avec du brai comme liant pour former un matériau carboné et par cuisson du matériau carboné à une température d'environ 3 000 C. Le fer constituant une impureté dans le matériau de type graphite peut résulter principalement du fer constituant une impureté dans les cendres contenues dans le coke utilisé comme matière première. Un matériau de type graphite ayant une faible teneur en fer peut être produit en utilisant un coke constituant la matière première ayant une faible teneur en fer comme un coke en aiguilles. A titre d'alternative, la teneur en fer du matériau de type graphite peut être réduite par cuisson du matériau carboné à une température supérieure à la température de graphitisation normale de 3 000 C. Le taux surfacique de pores du matériau de type graphite diminue quand la taille de particule du coke constituant la matière première est rendue plus petite et/ou quand la pression dans le procédé de traitement subséquent est augmentée. Le taux surfacique de pores dans la partie périphérique du matériau de type graphite traité est plus petit que dans le coeur du matériau de type graphite traité. De ce fait, une telle partie périphérique du matériau de type graphite traité est utilisée sélectivement comme matériau de type graphite ayant un faible taux surfacique de pores approprié pour la cathode (1) utilisée selon la présente invention. Le matériau de type graphite ayant la teneur en fer ci-dessus et le taux surfacique de pores ci-dessus est disponible dans le commerce, par exemple comme matériau de type graphite pour une électrode à arc utilisée en sidérurgie avec un four électrique, ou pour une électrode négative d'un accumulateur à ions lithium, etc. Comme le montre la figure 1, le four d'électroraffinage à trois couches (3) utilisé dans le procédé de la présente invention comprend une cathode (1) et une anode (2). Entre la cathode (1) et l'anode (2), une couche d'aluminium raffiné (Bl), une couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) et une couche fondue d'alliage mère anodique (B3) sont formées dans cet ordre depuis la cathode (1). La cathode (1) et l'anode (2) sont disposées respectivement dans la partie supérieure et dans la partie inférieure du four (3). La couche d'aluminium raffiné (B1) est en contact avec la cathode (1), tandis que la couche fondue d'alliage mère anodique (B3) est en contact avec l'anode (2). La composition de la couche fondue d'alliage mère anodique (B3) peut comprendre 60 à 70 % en masse d'aluminium et 30 à 40 % en 10 masse de cuivre. La composition de la couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) peut comprendre 35 à 45 % en masse de AIF3, 25 à 45 % en masse de BaF2, 5 à 15 % en masse de CaF2 et 5 à 20 % en masse de NaF. Pour raffiner l'aluminium brut (B) dans le four d'électroraffinage 15 à trois couches (3), la matière première (B) est fournie à la couche fondue d'alliage mère anodique (B3) tandis que le courant continu (I) est établi entre l'anode (2) et la cathode (1). Le courant continu (I) circule de l'anode (2) à la cathode (1) en traversant la couche fondue d'alliage mère anodique (B3), la couche de 20 bain d'électrolyse de raffinage (B2) et la couche d'aluminium raffiné (Bi) dans cet ordre. La couche d'aluminium raffiné (B1), la couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) et la couche fondue d'alliage mère anodique (B3) sont maintenues à l'état fondu à une température, par exemple, de 750 à 800 C par la chaleur générée due au courant continu 25 (I) qui circule de l'anode à la cathode (1) en traversant les couches (B3), (B2) et (B1). La densité du courant continu (I) qui circule de l'anode (2) à la cathode (1) est habituellement de 3 à 4 A/cm2 par surface unitaire de cathode. 30 L'aluminium brut (B) est introduit dans le four (3) par une entrée (4) pour l'aluminium brut. L'entrée (4) est séparée de la couche d'aluminium raffiné (B1) et de la couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) par une paroi de séparation (5) tandis qu'elle communique avec la couche fondue d'alliage mère anodique (B3). L'aluminium brut (B) 35 introduit par l'entrée (4) est fourni à la couche fondue d'alliage mère anodique (B3) et est fondu par le courant continu (I). Puis, l'aluminium fondu est raffiné tandis qu'il traverse la couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2), et précipite au voisinage de la cathode (1) pour former la couche d'aluminium raffiné (B1). Finalement, l'aluminium raffiné (A) précipité dans la couche d'aluminium raffiné (B1) est recueilli par un procédé conventionnel, par exemple, par pompage de l'aluminium raffiné depuis la couche (B1). L'aluminium recueilli est habituellement refroidi par coulée. EXEMPLES La présente invention va être expliquée en détail par les exemples suivants qui ne limitent absolument pas le cadre de la présente invention. Les propriétés d'un matériau du type graphite utilisé comme cathode dans chaque exemple ont été mesurées par les procédés 15 suivants : (1) Teneur en fer La teneur en fer a été mesurée par spectrométrie d'émission à plasma à couplage inductif (ICP). (2) Taux surfacique des pores sur la surface 20 Un taux surfacique de pores à la surface d'un matériau de type graphite a été mesuré de la manière suivante : la surface d'une cathode en graphite a été polie, et la surface polie a été photographiée au microscope optique (grossissement : 100). Le rapport de l'aire totale des pores à l'aire totale de la surface a été mesuré d'après la micro- 25 photographie obtenue, au moyen d'un système d'analyse d'images (IMAGE-PRO PLUS produit par Media Cybernetics, Inc.). Exemple 1 Un matériau de type graphite pour une électrode à arc 30 (graphite extrudé GS-G, qualité à faible teneur en Fe disponible auprès de SEC Carbon Limited) a été traité pour former un cylindre. Puis, les cylindres de graphite ont été utilisés comme cathodes (1) du four d'électroraffinage à trois couches (3) montré sur la figure 1. Ce matériau de type graphite avait une teneur en fer de 0,12 % en masse et un taux 35 surfacique de pores de 18 %. La température de fusion de l'aluminium a été maintenue entre 750 C et 800 C, et la densité du courant continu (I) était 3,4 A/cm2 à 3,5 A/cm2. Après la mise en oeuvre du raffinage de l'aluminium pendant 299 jours, les cathodes ont été retirées du four (3), puis les surfaces inférieures des cathodes ont été observées visuellement. Les surfaces inférieures étaient encore lisses. Exemple comparatif 1 Le raffinage de l'aluminium a été réalisé de la même manière que dans l'exemple 1, à ceci près qu'un matériau de type graphite pour une électrode à arc utilisée dans un four électrique pour la sidérurgie (graphite extrudé GS-G, qualité courante disponible auprès de SEC Carbon Limited) a été utilisé à la place du matériau de type graphite extrudé GS-G de qualité à faible teneur en fer. Ce matériau de type graphite avait une teneur en fer de 0,43 % en masse et un taux surfacique de pores de 26 %. Après la mise en oeuvre du raffinage de l'aluminium pendant 257 jours, les cathodes ont été retirées du four (3), puis les surfaces inférieures des cathodes ont été observées visuellement. Les surfaces inférieures étaient partiellement usées sous forme d'une ondulation torique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire de l'aluminium raffiné (A) au moyen d'un four d'électroraffinage à trois couches (3) qui comprend une cathode (1) et une anode (2) et qui forme, entre la cathode (1) et l'anode (2), une couche d'aluminium raffiné (B1), une couche de bain d'électrolyse de raffinage (B2) et une couche fondue d'alliage mère anodique (B3) dans cet ordre depuis la cathode (1), comprenant les étapes de : circulation d'un courant continu (I) de l'anode (2) à la cathode (1) tout en fournissant de l'aluminium brut (B) à la couche fondue d'alliage mère anodique (B3), et précipitation de l'aluminium raffiné (A) dans la couche d'aluminium raffiné (B1), caractérisé en ce que ladite cathode (1) comprend un matériau de type graphite ayant une teneur en fer de 0,2 % en masse ou moins et un taux surfacique de pores de 22 % ou moins à la surface du matériau de type graphite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau de type graphite a une teneur en fer de 0,15 % en masse ou 20 moins. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit matériau de type graphite a un taux surfacique de pores de 20 % ou moins. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisé en ce que ledit courant continu (I) circule à une densité de 3 à 4 A/cm2 par surface unitaire de la cathode. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les couches (B1), (B2) et (B3) sont maintenues à l'état fondu à une température de 750 à 800 C.