Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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La présente invention est relative a un procédé
d'obtention d'aluminium de très haute purete en ele~ents
eutectiques par segregation.
L'ho~me de l'art sait qu'il est possible de di-
minuer dans l'aluminium de pureté courante la teneur en
elements dits eutectiques tels que le cuivre, le fer, le
magnesium, le silicium, le zinc, lorsque ces derniers sont
en concentration hypoeutectique. I1 faut, par exemple, pour
celà soumettre le metal en fusion contenu dans un recipient
à une operation de segregation au cours de laquelle on fait
apparaltre par refroidissement des cristaux plus purs en
elements eutectiques que le liquide au sein duquel ils se
sont formés. Ces cristaux se rassemblent par gravite au
fond du recipient au fur et a mesure de leur formation etl
en les tassant, on obtient un solide purifie plus ou moins
compact dont la purete a tendance à decroître en fonction
de la masse cristallisée. On poursuit genéralement l'opéra-
tion ~usqu'à ce qu'il ne reste plus qu'une faible fraction
de la liqueur-mere~ Puis, par différents moyens, par exemple
par des opérations de sciage effectuées après refroidisse-
ment, on peut separer la masse purifiee de la liqueur-mère
restante ou même separer la masse purifiée en plusieurs
fractions de purete différente.
L'efficacite de la purification se traduit géne-
ralement par la valeur du coefficient de purification CO/CS,
o~ Cs est la concentration d'une impureté donnée dans le
produit pur obtenu, et CO est la concentration de la même
impureté dans le métal mis en oeuvre. Plus ce coefficient
est élevé, meilleure est l'efficacité du traitement.
Des procedés bases sur ce principe ont éte dé-
crits dans les brevets des Etats-Unis nos 3.303.019 et
4.221.590 et français no. 1.594.154, et conduisent à des
coefficients de purification et a des rendements plus ou
moins grands suivant les moyens particuliers mis en oeuvre.
C'est ainsi que, dans le brevet des Etats-Unis
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n 3.303.019, on part d'un me-tal contenant 280 ppm de fer
et 420 ppm de sili.cium et on en recupere 32 ~ qui ne ren-
ferme plus que 30 ppm de silicium et 10 ppm de fer, ce qui
cor.respond à des coefficients de purification de 14 pour le
silicium et 28 pour le :Eer pour un rendement de 32 %.
Dans l'autre brevet des Etats-Unis n4.221.590,
qui constitue un perfectionnement du precedent, si l'on
améliore le re.ndement en metal purifié ayant une teneur en
silicium voisine de 100 ppm, par contre, on ne descend guère
en-dessous de 20 ppm du même element pour la fraction d'alu-
minium la plus pure et qui ne represente que 30 ~ environ
de la masse mise en oeuvre.
En ce qui concerne le brevet francais n 1.59~.154
on obtient, soit a partir d'un metal contenant 320 ppm de
silicium et 270 ppm de fer, des teneurs respectives de 20
et 15 ppm, ce qui correspond à des coefficients de purifica-
tion de 16 et 13, valeurs déja très élevées si l'on t.ien-t
compte du rendement important obtenu puisqu'il est de l'ordre
de 70 %, soit a partir d'un metal renfermant 620 ppm de
silicium et 550 ppm de fer et avec un rendement de 50 %,
un metal ne con-tenant plus que 40 et 10 ppm des memes ele-
ments, ce qui equivaut a des coefficients de purification de
15,5 et 55, cette derniere valeur etant nettement plus elevee
que celle exprimee dans le brevet des Etats-Unis n 3.303.019
surtout si on remarque que le rendement est de 50 % au lieu
de 30 %-
Toutefois, il s'est averé nécessaire, pour cer-
taines applications particulieres, de disposer d'aluminium
de purete encore plus ~rande que celle obtenue avec les
procédés précédents. C'est ainsi par exemple que, pour la
confection des condensateurs électrolytiques de moyenne et
haute tension, on a de plus en plus recours a des feuilles
d'aluminium dont la teneur en Si et Fe doit etre seulement
de quelques ppm, bien que la présence de certains eléments
tels que le cuivre puisse atteindre des concentrations
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nettement plus élevees sans pour autant être gênante.
Pour atteindre de tels niveaux de pureté, on peut,
dans le cas du brevet français, selectionner les ~ractions
les plu,5 pures, c'est-à-dire celles qui se forment en debut
d'operation, mais on s'apercoit que le rendement de recupera-
tion est alors très faible et de l'ordre par exemple de 10 %
environ de la quantite de metal mis en oeuvre.
On a alors cherché à appliquer la ségregation à
un metal ayant deja subi une première purification soit par
segregation soit par un autre procédé tel que le raffinage
par electrolyse en trois couches.
Mais, on s'est heurte à d'importantes difficultes
pour conduire l'opération. On observe en eEfet que, pour
des metaux dejà très purs, le liquide a tendance a se soli-
difier en masses de gros volume sur les parois du dispositifde tassage et même du creuset. Ceci va à l'encontre du but
recherche puisqu'il est dit dans le brevet français
n 1.594.154 que, pour obtenir une purification efficace,
il faut chercher à avoir une solidification en petits cris-
taux pour limiter la quantite de liqueur-mère qu'ils re-
tiennent entre eux. Il est très vraisemblable que cette
difficulte vient de ce que plus un metal est pur, plus
l'intervalle de solidification, c'est-à-dire la difference
de temperature entre le liquidus et le solidus du diagramme
d'equilibre est faible.
C'est pourquoi, la Demanderesse a cherche et mis
au point les moyens permettant de pallier les difficultes
resultant de la mise en oeuvre dans un procede de segrega-
tion de metal ayant une purete relativement elevee et d'ame-
liorer ainsi le taux de purification tout en maintenant unrendement eleve.
Ce procede d'obtention d'aluminium de très haute
purete en elet~ents eutectiques consiste à soumettre un alu-
minium dejà très pur à une operation de segregation, mais
caracterise en ce que l'on ajoute au metal fondu, avan-t
5~3~i
l'opération de ségrégation, et dans le but de rendre celle-ci
plus efficace, au moins un elements eutectique en quantité
hypoeutectique qui, soit s'élimine très complètement au cours
de cette opération, soit reste dans le produit puriEié à
une teneur non gênante pour l'utilisation envisagee.
Ainsi, le procédé de l'invention met en oeuvre
un aluminium déjà très pur, par exemple qui a déjà subi une
première purification qui a permis d'amener sa teneur en
impuretes totales à 200, et même jusqu'à lO0 ppm ou moins.
Cet aluminium peut avoir par exemple une teneur en chacun
des eléments fer et silicium voisine de 50 ppm, mais des
teneurs supérieures ou inférieures à cette valeur enl'une
quelconque des impuretes sont également possibles.
Cette première purification peut être obtenue
par exemple par une operation de segrégation identique a
celle decrite dans le brevet français cite plus haut. Le
metal de depart peut aussi avoir subi un traitement pour en-
lever les impuretés peritec-tiques telles que le titane et le
vanadium par exemple.
Un tel métal est alors fondu et on ajoute au
liquide, en l'absence de toute cristallisation, au moins un
élement eutectique. Cet element est preferentiellement choisi
dans le groupe constitue par le fer et le cuivre, mais l'ad-
dition simultanée de ces deux élements peut aussi être en-
visagée. Ce qui importe, c'est que cet element ne doit pas
avoir une concentration gênante après l'opération finale de
segregation. C'est ainsi qu'on peut ajouter un elément ayant
un très grand coefEicient de purification et qu'il peut donc
être facilement elimine lors de l'application du procede;
on peut ajouter aussi un element ayant un coefficient de
purification plus faible pour autant qu'il n'ait aucune in-
fluence nuisible, même si sa concentra-tion reste elevee.
Dans le premier cas, on peut ajouter du fer dont le coef-
ficient est voisin de 30. Dans le deuxième cas, on peut
utiliser du cuivre dont le coefficient est voisin de 7 mais
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qui, jusqu'à des teneurs de 50 ppm, n'est pas gênant dans
certaines applications et peut etre même benefique dans le
cas ou l'aluminium est destine a la fabrica-tion de condensa-
teurs electrolytiques de moyenne et haute tension. On peut
evidemment ajouter ces deux elements simultanement.
La quantite ajoutee doit evidemment etre -~elle
que la concentration du liquide en cet element avant cris-
tallisation, soit inferieure ~ celle de l'eutectique, sinon,
comme l'indiquent les diagrammes d'équilibre liquide-solide,
les cristaux obtenus seront d'abord plus impurs que le liquide-
mere initial, puis il slen suivra un depot de cristaux de
composition eutectique et il n'y aura donc aucune purifica-
tion possible.
Mais cette quantite ne doit pas non plus être
trop faible sinon l'effet de l'ajout ne repondra pas a
l'objectif recherche, a savoir d'eviter une cristallisation
en masse qui ne permet pas une conduite convenable de l'opera-
tionO Ces ajouts dependront de l'element ajoute et de l'ap-
plication visee pour le metal purifie. Par exemple, dans
le cas du fer, des ajouts d'environ 100 à 200 ppm, voire
même 500 ppm, conviennentO Mais, dans le cas du cuivre,
ils peuvent aller au-dela de 100 ppm et atteindre 2000 ppm
si l'aluminium est destine, par exemple, à la fabrication
de condensateurs.
~es teneurs indiquees ne le sont qu'à titre
d'exemple, car elles dependent de la manière dont est con-
duite l'opération de segregation, en particulier de sa
duree.
L'ajout de l'element eutectique peut être fait
soi-t à l'etat solide, soit à l'etat liquide et sous toute
forme convenable telle que element pur, alliage des elements
ou alliage-mere à base d'aluminium.
L'homogeneite du liquide apres ajout est realisee
par tout moyen de brassage ou d'agitation convenable.
Puis, on procede alors à l'operation de segrega-
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tion proprement dite telle qu'elle est décrite dans le brevet
français n 1.594.154, à savoir:
- on provoque une solidification progressive au sein du
volume de métal li.quide maintenu au voisinage de son point
de fusion dans un récipient chauffé extérieurement en y
plongeant un corps refroidi,
- on rassemble au fond du récipient contenant le métal li-
quide llensemble des petits cristaux qui se forment,
- on tasse les petits cristaux ainsi rassemblés, ce qui
chasse le liquide intersticiel impur et on provoque le
frittage de ces petits cristaux, ce qui donne des gros
cristaux, et
- on sépare la fraction purifiée a gros cristaux de la frac-
tibn qui s'est enrichie en impuretés.
On aboutit ainsi à un métal soit extremement pur,
soit dont la concentration en impuretés eutectiques gênantes
est beaucoup plus faible que dans le metal de départ.
Il est évident que ce.procede peut être mis en
oeuvre sans que l'on sorte du cadre de l'invention dans le
cas où on utilise des procédés de ségrégation différents de
celui décrit ci-dessus.
De plus, son application peut être faite a des
métaux autres que l'aluminium comme le plomb et le zinc par
exemple.
A titre d'exemple de réalisation, on met en oeuvre
un aluminium contenant environ 20 ppm de silicium et 15 ppm
de fer obtenu par une première opération de purification par
ségrégation. Si on lui ajoute 200 ppm de fer et le soumet
à une nouvelle opération de ségrégation, on constate qu'on
peut amener le silicium aux environs de 5 ppm. Comme, par
ailleurs, le coefficient de purification du fer est nette-
ment plus élevé que celui du silicium, le fai-t que l'on ait
rajouté du fer ne dégrade pas la qualité du produit final
mais, au contraire, condui-t à une teneur voisine de celle
du silicium et ce, avec un rendement de l'ordre de 70 %.
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~s~
Dans un autre exemple d'application, on met en
oeuvre 1000 kg d'aluminium contenant 50 ppm de fer et on
lui ajoute 500 ppm de cuivre. ~n le soumet à une opération
de ségrégation pendant 14 heures au bout desquelles on re-
cueille 70 % de la masse mise en oeuvre sous forme d'un
solide contenant pres de 60 ppm de cuivre, mais moins de
2 ppm de fer. Un -tel métal est très intéressant pour la
confection de feuilles destinees à la fabrication de con-
densateurs electrolytiques de haute et moyenne tension, car
le c-uivre est un élément qui favorise generalement l'obten-
tion de capacites spécifiques élevées~
La présente invention trouve son application
notamment dans l'obt~ntion d'aluminium de tres haute purete
en éléments eutectiques et contenant notamment moins de
10 ppm de fer et de silicium et destiné en particulier a
la fabrication de condensateurs de haute et moyenne tension.
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