TRAITEMENT DES MINERAIS

788. — L'extraction des métaux de leurs minerais par la voie électrolytique a fait l'objet, dans ces dernières années, de tentatives intéressantes. Ce mode de traitement est surtout avantageux là où des forces naturelles permettent d'obtenir l'énergie élearîque à bon compte, ce qui arrive fréquemment dans les pays riches en minerais mais dépourvus de combustibles.

Les premières études des traitements électrométallurgiques sont dues à M. Becquerel , qui avait proposé , en 1854 , de réduire les minerais d'argent, amenés à l'état de chlorures et dissous dans une solution concentrée de chlorure sodique , à l'aide d'un courant produit dans le bain même par des lames de zinc, § j'j^. L'argent se dépose sur la cathode en plomb ou en charbon.

Un procédé semblable ne peut, naturellement, être employé que lorsque la force électromotrice de décomposition du sel est inférieure à celle du couple zinc-chlorure sodique-plomb.

On a, à diverses reprises, préconisé des modes de traitement analogues consistant à mettre les minerais en solution dans l'eau, après les avoir transformés en sulfates par le grillage ou en chlorures

TRAITEMENT DES MINERAIS. SqI

par Tacide chlorhydrique pur, et à les électrolyser par le courant d'une dynamo en faisant usage d'une anode insoluble en charbon ou en plomb.

Ces procédés mettent en jeu des forces électromotrices de polarisation plus ou moins considérables et conduisent à une dépense d^énergie souvent inadmissible , surtout lorsque la polarisation est supérieure à i,5 volt et que l'eau du bain est décomposée. Dans ce dernier cas , il y a un travail effectué en pure perte , et les gaz provenant de la décomposition de Teau empêchent d'obtenir des dépôts convenables.

Cependant M. Alex. Watt prétend avoir obtenu de bons dépôts de zinc par Télectrolyse de Tacétate de ce métal. Les minerais oxydés ou amenés à Tétat d'oxydes par le grillage sont dissous dans l'acide acétique du commerce; le plomb et le fer sont éliminés par l'hydrogène sulfuré et la liqueur est ensuite traitée avec une anode en charbon.

MM. Blas et Miest ont fait breveter, en 1882, un mode de traitement très ingénieux, applicable aux minerais sulfurés et à Paide duquel on parvient à tourner la difficulté. Ils ont remarqué que les sulfures métalliques sont en général assez conducteurs, et qu'on peut les employer comme anodes dans une solution du métal à réduire, le bain servant uniquement de véhicule au métal qui se transporte de l'anode en sulfure à la cathode. Le soufre provenant de la décomposition du sulfure tombe en boue au fond de la solution. Si l'on traite par ce moyen le sulfure cuivrique , la force électromotrice de décomposition n'est que 0,22 volt, au lieu de 1,22 volt, force électromotrice minima nécessaire pour décomposer le sulfate avec une anode en charbon. Le traitement de MM. Blas et Miest procure donc une notable économie de force motrice ainsi que la suppression de l'électrolyse de l'eau.

Ce système a été perfectionné par M. Marchese, qui l'a appliqué dans diverses usines en Italie.

789. — Traitement des sulfures de cuivre. — Le procédé Marchese est appliqué à Sestri-Levante (Italie) à des chalcopyrites à gangue serpentiiieuse mélangées à la pyrite de fer, et dont la teneur moyenne en cuivre est de i5 pour 100.

Les minerais sulfurés sont fondus au four à manche, puis les

Sgi ÉLECTBOKÉTALLORGIE.

mattes sont coulées dans des moules de ronte en plaques qui doivent servir d'anodes. Ces plaques, dont la conductibilité électrique est suffisante , communiquent avec le circuit extérieur par des bandelettes de cuivre emprisonnées dans les anodes pendant la fusion. Les mattes contiennent environ 35 parties de cuivre, 38 de fer et 27 de soufre.

Le bain électrolytique est obtenu en traitant au four à réverbère à étages des minerais riches et en soumettant les produits du grillage à l'action de l'acide sulfurique dilué dans des récipients en plomb à grande surface ; le traitement au réverbère doit être conduit de manière à obtenir des oxydes, et non des sulfates, aHn d'éliminer autant que possible le fer dont l'oiyde n'est pas soluble dans l'acide sulfurique étendu. La solution de sulfate de cuivre contenant du sulfate de fer est amenée dans des bats de traitement dont les cathodes sont constituées par des lames de cuivre pur peu épaisses, placées dans des cadres en bois pour éviter leur gondolement.

La présence de la pyrite de fer dans les mattes sulfurées nécessite de grandes précautions dans la conduite des opérations, afib d'éviter que le fer ne se dépose avec le cuivre sur la cathode.

Fig. 5îo.

Le sulfure de fer est décomposé et le fer passe dans le bain a

l'état de sulfate ferrique qui tend à se réduire en sulfate ferreux et

en fer à la cathode. Le sel cuivrique de la solution se réduit donc

peu à peu et est remplacé par des sels de fer.

TRAITEMENT DES MINERAIS. SçS

De nombreuses expériences ont montré que le dépôt de cuivre reste net et brillant tant qu'il subsiste environ o,5 pour loo de cuivre dans la solution. On peut réaliser cette condition en provoquant un renouvellement continu des liquides dans les bacs électrolytiques, par une circulation établie entre ces bacs et les bassines de; dissolution en plomb , où le sulfate ferrique dissout une certainequantité de cuivre. La solution est amenée par un chenal en boisaux bacs disposés en cascades par séries de six, fig. 52o; après avoin traversé ceux-ci , elle est reprise par des pompes centrifuges qui la ramènent aux bassins de dissolution. Elle doit être renouvelée de temps à autre, parce qu'à la longue elle se sature de sulfate ferreux, et, dans cet état, ne dissout plus de cuivre.

Le courant est fourni par 20 machines Siemens, excitées eU' dérivation afin d'éviter les renversements de pôles dans les inducteurs. Chaque dynamo dessert 12 bacs réunis électriquement en série et précipite journellement 100 kg de cuivra en développant' 10 volts aux bornes et 25o ampères; la différence de potentiel entre les bornes de chaque bac électrolytique est donc inférieure à- 1 volt. La force électromoirice de polarisation est faible, 0,45 voltenviron.

D'après les données citées ci-dessus , la dépense d'énergie est

— '- '- — - = 600 watts-heure par kilogramme dé cuivre,

En admettant que cette énergie est produite par des machines à vapeur consommant i kg de charbon par cheval-heure et des dynamos d'un rendement industriel de 90 pour 100, la consommation du combustible sera

Le traitement des sulfures par la méthode ordinaire exige environ. 3 kg de charbon, soit 3 fois plus que la méthode électrolytique, laquelle permet d'ailleurs d'utiliser des forces naturelles. Par contre, celle ci fournit plus de déchets que la première par suite de la désagrégation des mattes soumises à Télectrolyse. On estime que 10 à 5o pour 100 des mattes tombent dans les bains, ce qui troubU les

5 94 électrométàllurgie .

solutions et altère la qualité des dépôts. Il est d'ailleurs difficile de retirer les métaux précieux contenus dans les déchets.

Lorsque la solution est devenue trop riche en sulfate de fer, elle est soumise à Taction électrolytique dans des bacs contenant des anodes en fer, puis, enfin, elle est amenée dans des cuves contenant de la ferraille qui précipite les dernières traces de cuivre. Les résidus des anodes sont ajoutés aux minerais dont les produits du grillage, envoyés dans des chambres de plomb, donnent de Tacide ftulfurique. Une partie de ce dernier est utilisée pour la préparation de la solution électrolytique.

En résumé, les produits de cette industrie sont : !<> du cuivre pur obtenu avec une perte de métal assez faible et une consommation de combustible minime ; 2» de Tacide sulfunque ; 3^ du sulfate de fer.

Nous avons exposé, avec quelque développement, ce pnrocédé, bien qu'il soit encore dans la phase des essais, afin de montrer les difficultés qu'un traitement métallurgique , théoriquement très simple, peut présenter dans l'application. La composition des minerais de cuivre présente, en effet, des variations qui exigent des modifications continuelles dans la conduite du traitement et occasionnent des difficultés dont une longue expérience peut seule venir à bout.

ÉLECTROMÉTALLURGIE PAR VOIE SÈCHE

790. — But. — Les procédés de Télectrométallurgie par voie humide sont soumis à des restrictions nombreuses. Oh est obligé de modérer la densité du courant de crainte qu'il ne se forme des réactions secondaires capables d'altérer le produit déposé. De là, la nécessité de bains de grande étendue pour développer un effet utile donné. Le liquide des bains doit être choisi avec soin et surveillé au cours des opérations afin qu'il n'attaque pas les produits de l'électrolyse. Enfin , la réduction par voie humide est impraticable avec les métaux ayant une grande affinité pour Toxygène. ' Lorsqu'il est possible de fondre les matières à traiter et de leur donner une conductibilité suffisante pour qu'elles se prêtent au passage de courants intenses , la réduction peut s'opérer par voie sèche etitre de3 électrodes en charbon ; la chaleur dégagée par le

ÉLECTROMÉTALLURGIE PAR VOIE SÂCHE. SpS

courant vient alors en aide à Faction électrolytique de ce dernier et ces effets combinés ont une telle puissance de désagrégation qu^aucun composé ne leur résiste.

L'application de ces procédés a fait accomplir des progrès importants à la métallurgie des minerais irréductibles par le charbon ; tel est le cas des composés alcalins , alcalino-terreux et terreux, dont les éléments électro-positifs forment avec l'oxygène des combinaisons dégageant plus de chaleur que l'oxydation du carbone et qui, en vertu du principe du travail maximum, ne le cèdent pas à ce dernier.

L'électrolyse par voie sèche n'est pas subordonnée aux mêmes conditions que l'électrolyse par voie humide. On n'a pas à se préoccuper des réactions d'un dissolvant sur les produits de la réduction et la densité du courant n'est limitée que par le pouvoir conducteur des électrodes^ ce qui implique plus de latitudei dans la conduite des opérations.

Le prix élevé de l'énergie électrique sous forme de chaleur ou d'agent réducteur semble, à première vue, devoir limiter son emploi aux métaux pour lesquels le charbon est impuissant. En effet, il n'y a guère que les huit centièmes de l'énergie du combus* tible brûlé dans une chaudière qui soient utilisés dans le circuit extérieur d'une dynamo. Mais il ne faut pas perdre de vue que, dans les fourneaux métallurgiques, une grande partie de la chaleur du combustible est employée à échauffer la maçonnerie des fours et le combustible lui-même, et, qu'en raison de la surface des appareils utilisés , les pertes par rayonnement sont considérables.

Au contraire, l'énergie voliaïque peut être concentrée dans un espace très restreint et employée presque toute entière au but en vue. En outre, la réduction a lieu en une seule opération, tandis que certaines métallurgies exigent des refontes très onéreuses en combustible, §§ 785 et 789. Enfin, l'utilisation des chutes d'eau réduit considérablement les frais de production de l'électricité et permet de traiter des minerais dans des pays dépourvus de charbon.'

Ces considérations montrent qu'il n'est pas impossible que les procédés électrométallurgiques par voie sèche s'étendent au traitement de certains métaux usuels. Jusqu'à présent, ils sont restreints presque exclusivement à la production de l'aluminium. Nous allons passer en revue des méthodes appliquées dans ce but , en

596 ÉLECTROMÉTALLURGIE.

nous renseignant, comme nous avons eu plusieurs fois Toccasion de le faire au cours de cet ouvrage, dans les articles érudits de M. Richard, parus dans la Lumière Electrique ^ ainsi que dans la monographie de Taluminium, publiée par M. Minet dans le même journal.

791. — - Généralités sur raluminium et ses emplois. — L^aluminium, qui est probablement le plus répandu des métaux qui entrent dans la composition de la croûte terrestre, jouit de propriétés telles qu'il a pu être appelé le fer de l'avenir.

Sa faible densité (2,67) et sa ténacité (20 kg par mm^j le rendent, à poids égal, aussi résistant que Tacler. Sa conductibilité élec-' trique, qui est la moitié de celle du cuivre, doit le faire préférer à ce dernier métal , lorsque la considération de poids est prédominante. Son inaltérabilité aux agents atmosphériques et sa malléabilité, jointes à ses autres qualités, le rendent précieux pour la confection des instruments de précision. Enfin , son innocuité et son bel éclat blanc le destinent à un grand nombre d'usages domestiques et artistiques.

Cependant, à cause de son prix élevé, l'aluminium n'est guère employé , jusqu'à présent , à l'état pur ; mais , en revanche , il est utilisé à Tétat de combinaison, soit directement, soit dans la métallurgie d'autres métaux.

L'aluminium forme , avec le cuivre, le zinc et le fer , des alliages stables, non susceptibles de liquation et qui jouissent de propriétés tout à fait remarquables.

Les alliages d'aluminium et de cuivre sont connus sous le nom de bronzes d'aluminium. Lorsqu'on incorpore, au creuset, 10 pour 100 d'aluminium dans le cuivre, l'alliage se forme avec un' dégagement de chaleur violent qui accuse une combinaison définie. Le produit a une belle couleur d'or ; il est susceptible de prendre un poli brillant qu'il conserve sans altération à l'air. Ce métal résiste , en outre, aux gaz sulfurés, aux acides faibles ou gras, auj^ savons et à l'eau de mer. Ces propriétés restent acquises à Talliage tant que la teneur en aluminium ne descend pas en dessous de 5 pour cent. Le retrait du bronze d'aluminium est toutefois assez fort ; il atteint 2 pour 100 pour le bronze à 10 pour 100.

ÉLECTROMÉTALLURGIE PAR VOIE SÈCHE. 5gj

Au point de vue des propriétés mécaniques, les bronzes d'aluminium, unis à une petite proportion de silicium^ tels qu'on les obtient par le procédé Cowles ci-après, sont susceptibles de présenter des caractères très variables avec la composition. Le bronze contenant lo pour loo d'aluminium et i à 2 pour 100 de silicium est peu malléable et résiste à une charge de 80 kg par mm^, avec un allongement qui va jusque 5 pour 100.

Lorsque la teneur en silicium reste égale à i pour 100 et que la proportion d'aluminium tombe à 2,25 pour 100, le métal ne résiste plus qu'à 20 kg par mm^, mais il est extrêmement ductile et l'allongement avant la rupture va jusque 60 pour 100. Entre ces limites extrêmes, il est possible d'obtenir une échelle de produits, dont on règle les qualités mécaniques selon le but en vue. Les bronzes d'aluminium se moulent et se travaillent aisément.

Le laiton d'aluminium , contenant 3 à 4 pour 100 de ce métal et 40 pour 100 de zinc, possède une limite d'élasticité allant jusqu'aux quatre cinquièmes de la charge de rupture, laquelle est voisine de 5o kg par mm^.

L'argentan d'aluminium contenant 95 pour 100 de ce métal et 5 pour 100 d'argent a l'aspect de l'argent, mais il est plus dur et moins lourd. M. W. Langley a trouvé qu'un alliage de 90 d'aluminium et 10 de titane présente l'élasticité de l'acier trempé, tout en étant plus fusible et plus malléable.

Enfin, le composé qui a trouvé le plus d'applications est le ferro-aluminium, alliage riche d'aluminium et de fer, qu'on peut obtenir en une seule opération et qui sert d'intermédiaire pour incorporer de petites quantités d'aluminium dans le fer.

L'addition, au dosage voisin du millième, de l'aluminium au fer et à ses carbures, l'acier et la fonte, jouit de la propriété caractérisa tique d'abaisser le degré de fusion de ces corps , de leur donner de la fluidité et de l'homogénéité et de permettre d'obtenir des moulages nets et sans soufflures.

Le rôle de l'aluminium dans le fer est complexe. Il paraît à peu près certain qu'il se forme une combinaison qui , comme tous les alliages, possède un point de fusion inférieur à ceux des métaux composants. Mais, en outre, l'aluminium jouit, comme le silicium et le manganèse , mais à un degré plus élevé , de la propriété d'absorber l'oxygène emprisonné dans le fer à l'état d'air, d'oxyde

598 ÉLECTROMÉTALLURGIE.

de carbone ou d'oxyde métallique et de purifier le métal, en formant une scorie d'alumine qui surnage.

Il est possible que cette combinaison apporte dans le bain en fusion une quantité de chaleur suffisante pour entretenir sa fluidité et lui permettre de se mouler aiséjnent.

En ajoutant o,ooo5 à 0,0014 d'aluminium sous forme de ferroaluminium dans des creusets en plombagine contenant du fer et chauffés au four à réverbère, M. Osiberg est arrivé à faire tomber le degré de fusion du métal de i 700<> C à i 400° C et à obtenir un bain homogène d'une fluidité remarquable , susceptible d'être coulé dans les moules les plus compliqués. Le fer ainsi obtenu, désigné par son inventeur sous le nom de fer mitis ^ se soude et se travaille comme le fer ordinaire dont il possède la résistance et ne diffère que par sa texture homogène et grenue.

L'introduction du ferro-aluminium dans les poches de coulée de l'acier obtenu par les divers procédés ( Bessemer , Martin , au creuset) empêche le métal de rocher, l'affine et lui donne une homogénéité et une ténacité exceptionnelles, tout en permettant d'obtenir des moulages sans soufflures, ce qui rend les aciers propres à certains usages nouveaux, tqls que la coulée des carcasses de dynamos.

La proportion d'aluminium ainsi ajoutée varie avec la composition des bains, mais ne s'éloigne jamais beaucoup du millième. Le ferro-aluminium est chauffé avant son introduction dans la poche de coulée et le bain est brassé avec des ringards en fer.

Enfin, un traitement identique améliore considérablement les fontes et jouit de la propriété de transformer la fonte blanche en fonte grise. Il augmente la résistance transversale de la matière, lui permet de mieux résister aux chocs, diminue le retrait, ce qui facilite les moulages et rend le grain fin et régulier. C'est à l'aide de ce procédé que les Américains sont arrivés à produire les belles pièces de fonte décorative qu'on observe entr'autres dans les poêles qu'ils importent chez nous.

Les minerais d'aluminium les plus purs sont le corindon ou alumine cristallisée (formule électrolytique : Al 3 O), la bauxite ou alumine hydratée et la cryolithe ou fluorure double d'aluminium et de sodium (formule électrolytique : Al 3 FI, Na FI). Dans les procédés de traitement électrométallurgique, les minerais

ÉLECTBOHÉTALLURGIE PAK VOIE si:CHE. Sgç

sont Fondus sous l'action du courant seule ou par l'action successive de la chaleur empruntée au charbon et de celle produite par le courant. Les effets calorifiques et électrolytiques du courant sont Ensuite combinés pour séparer les éléments et isoler l'aluminium ou l'unir au métal qui doit former la base d'un alliage riche.

793. — Procédé Cowles. — Le procédé Cowles, appliqué à Stoke-on-Trent [Angleterre], où le charbon ne coûte que 5 à 6 fr. la tonne, est basé sur l'application de l'action combinée de la chaleur voltaique et du pouvoir réducteur du charbon à la décomposition de la bauxite.

L'opération s'effectue dans une série de fourneaux quadrangulaires en terre réfraciaire visibles dans la fig. Sai. Ces foyers, dé 1 ,70 X 0,80 X o,5o m , sont garnis intérieurement d'un revêtement réfractaire et peu conducteur obtenu en délayant du charbon de bois

Fig. Sai.

dans un lait de chaux. Les ouvertures supérieures se ferment à l'aide de couvercles métalliques à garniture réfractaire, percés d'orifices pour le dégagement des gaz.

Chaque foyer porte deux tubulures latérales en fonte dans lesquelles glissent des faisceaux formés de 9 crayons de charbon de 65 millimètres de diamètre. Les deux faisceaux, inclinés à 30%

6oO ÉLECTROMéTALLURGIE.

peuvent être rapprochés ou éloignés à l'aide de vis de réglage dont on voit les poignées à Tavant de la figure. Les charbons sont réunis par des têtes métalliques coulées sur les faisceaux de manière à les emprisonner et reliées à des câbles de cuivre qui reçoivent le courant par des rails de cuivre sur lesquels glissent des chariots soutenant les conducteurs. Un seul foyer fonctionne à la fois. ' Le courant est produit par une puissante dynamo de 3oo kilovratts (5 ooo ampères X 60 volts) commandée, par Tintermédiaire de cordes de chanvre , par un moteur de 600 chevaux , lequel est pourvu d'un volant de 3o tonnes , afin de parer aux à-coups produits par les brusques variations du courant, qui peut atteindre 8:000 ampères à certains moments. Au delà de cette intensité, des làn^e^ de sûreté en plomb rompent le circuit.

Dans, toutes les opérations électrolytiques par voie sèche donnant liea à !desi. variations de courant soudaines, il serait avantageux, au point de^vue de la bonne utilisation des machines et de leur conservation , d^ adopter des accumulateurs en dérivation sur la dynamo. Ce procédé , dont on a déjà vu l'application dans les distributions, § 504, et pour Talimentation des moteurs de tramway , § 618 , permet de développer momentanément un courant dépassant beaucoup la capacité de production des machines, de sorte que celles-ci peuvent marcher à une allure constante sous le rendement maximum.

Pour préparer une opération, on forme la brasque de la sole à Taide du charbon chaulé, puis on amène les électrodes en contact et Ton place au milieu du four un gabarit en tôle autour duquel on bat également une garniture de charbon. On enlève ensuite la forme et on verse dans la chambre ainsi ménagée un mélange de charbon, de bauxite et de cuivre ou de fer, suivant qu'on veut obtenir du cupro-aluminium (bronze riche) ou du ferro-aluminium. On recouvre encore le mélange de charbon et on ferme le four en ayant soin de luter le couvercle.

On relie ensuite les faisceaux de charbons à la dynamo et on les écarte progressivement à mesure que la masse entre en fusion. Sous Teffet de la chaleur intense , ainsi que de Faction réductrice du charbon et du courant, le minerai se décompose et le métal s'unit, avec un peu de silicium réduit, au cuivre ou au fer du bain.

L'opération prend une heure et demie et exige un courant croissant jusque 5 000 ampères.

ÉLECTROMÉTALLURGIE PAR VOIE SÈCHE. 6oi

Les gaz dissociés s^échappent avec de Talutnine par les ouvertures ménagées dans le couvercle et produisent une flamme brillante. On a soin de retirer les électrodes lorsqu'on arrête le courant, aBn qu'elles ne soient pas prises dans le bain pendant le refroidissement.

Lorsque l'opération est terminée, on recueille le lingot d'alliage blanc et cassant, contenant i8 à 3o pour cent d'aluminium, qu'on refond au creuset ou au réverbère avec un poids de cuivre propre à donner les alliages commerciaux couleur d'or. Pour juger de la qualité de ceux-ci, on se contente de prélever des éprouvettes dans le bain de seconde fusion et de les soumettre à des essais mécaniques.

La scorie retirée du four Cowles consiste en un mélange d'alliage et de charbon. Elle est concassée et retraitée avec du minerai nouveau.

La production du kilogramme de bronze riche demande 45 chevaux-heure électriques. Celle d'un kilogramme de ferro-aluminium, 65 chevaux-heure. On a soin de ne pas fabriquer les deux alliages dans le même four, afin d'éviter que du fer ne souille le premier ou que le second ne soit altéré par du cuivre.

Dans les fours représentés dans la fig. 52 1, on était obligé de laisser refroidir le lingot dans le creuset avant de l'enlever.

Actuellement, on emploie des fours ayant un orifice de coulée

fermé par un crayon de charbon, de manière à vider le creuset immédiatement après l'opération , ce qui permet de refaire la brasque sans perte de temps.

M. Crompton a préconisé un creuset représenté dans la fig. 522 et qui se prête au chauffage préalable des matières au moyen d'un chalumeau à gaz A B , de manière à économiser de la chaleur voltaïque.

602 ÉLECTROMÉTALLURGIE.

Dans le procédé Cowles, le traitement est Intermittent. Il est très désirable d^arriver à Temploi de fours à action continue, afin d^éviter les réchauffages des massifs de maçonnerie et d^accroître la production ; on verra ci-après les tentatives faites dans cet ordre d'idées.

793. — Électrolsrse des composés alumineux en fusion ignée. Méthode Minet. — Le procédé Cowles n'utilise pas Faction réductrice du courant de la même manière que les électrolyses ordinaires dans lesquelles le métal se rend à la cathode, et il est assez difficile de faire la part de Teffet calorifique et de l'effet électrolytique dans ce mode de traitement , où le produit obtenu n'est pas un métal pur.

M. Minet, reprenant une méthode essayée sans résultats par Sainte-Claire Deville à une époque où les générateurs d'électricité étaient insuffisants, est parvenu à produire industriellement l'aluminium par l'électrolyse , entre des électrodes de charbon, des composés de ce métal maintenus en fusion.

Le bain est formé de cryolithe qui fond à 900° C si l'on y ajoute 60 pour 100 de chlorure sodique. Le mélange ne commence à se volatiliser qu'à i ioo<>y de sorte qu'en le maintenant aux environs de I ooo<> on est certain que la perte de matière par sublima* tion sera peu importante.

Le mélange est placé dans une cuve en fonte de fer quadrangulaire scellée dans un fourneau réfractaire et garnie intérieurement de plaques de charbon servant de cathode. Les anodes suspendues dans le mélange sont des prismes parallèles de charbon artificiel. Sous la cuve est un creuset destiné à recevoir l'aluminium et pourvu d'un trou de coulée. Le composé est amené à la température de fusion par le foyer. La chaleur développée par le courant suffit ensuite pour maintenir l'électrolyte en fusion. Celui-ci se décompose et l'aluminium , qui se dépose à l'état liquide sur la cathode, tombe en gouttelettes dans le creuset. On surveille aisément Topération, grâce à la transparence du sel fondu.

On ne peut entretenir le bain avec de la cryolithe pure, car, au fur et à mesure de la réduction de l'aluminium, le mélange s'enrichit en fluorure sodique et le sodium finit par se déposer à la cathode. M. Minet tourne cet écueil en entretenant le bain avec de la bauxite ou un mélange de bauxite et de fluorure d'aluminium.

ÉLECTROMÉTALLURGIE PAR VOIE SÈCHE. 6o3

La différence de potentiel à créer aux électrodes est représentée par

où e exprime la force électromotrice de décomposition du sel, laquelle est voisine de 2 volts, et r sa résistance.

La différence de potentiel ne doit pas dépasser sensiblement 4,35 volts, sinon on décompose le chlorure sodique qui domine dans le bain.

En modifiant la température de Télectrolyte entre 9oo<> et i ooo<>, M. Minet a reconnu que le coefficient de variation de la résistance avec la température se déduit de la formule suivante

La densité de courant atteint 5o ampères par dcm^ à la cathode. Elle n'est limitée que par la conductibilité des électrodes auxquelles on donne une forte section.

L'équivalent électrochimîque de Taluminium est 0,095 milligramme. Le dépôt observé varie de o,55 à 0,60 de ce chiffre lorsqu'on emploie une cathode en charbon. Lorsqu'on destine Faluminium à la production d'alliages riches, il n'y a aucun inconvénient à employer une cathode formée du métal allié. Dans ce cas, Taluminium coule plus facilement le long de l'électrode et n'est pas soumis aussi longtemps à l'action du fluor à l'état libre dans le bain.

Le procédé suivant, qui utilise également l'électrolyse ignée, est destiné, comme le système Cowles , à la production directe des alliages riches.

794. — Procédé Héroult — Le procédé de M. G. Héroult est appliqué, à Neuhausen, dans une usine qui utilise une chute du Rhin de i 5oo chevaux. Le fourneau électrique est formé d'une caisse en fonte a , doublée intérieurement d'un revêtement réfractaire et conducteur A , en briques de charbon aggloméré lutées au goudron. Le fourneau est fermé par une plaque de graphite A', percée de deux ouvertures latérales «, par lesquelles on introduit les matières à traiter, et d'une ouverture centrale de forme carrée qui donne accès à une électrode formée d'un faisceau de plaques de charbon b réuni<îs par des cadres métalliques.

6o4 ÉLECTROKÉTALLURGIE.

Un orifice de coulée c, fermé par un tampon en charbon, permet l'évacuation des produits dans une lîngotière mobile sur rails.

Fig. 523.

Le revêtement de charbon A communique, par ta caisse de fonte et par des bornes multiples a', avec le pôle négatif d'une dynamo. Le faisceau de charbons, en relation avec le pôle positif, est suspendu par un treuil et mû par un mécanisme régulateur remplissant le môme rôle que celui des lampes à arc en série, 5 7i3,

Dans ce but, le treuil est commandé par une petite dynamo à laquelle le courant arrive par un ampèremètre régulateur. Selon que le courant qui traverse le fourneau est trop fort ou trop faible, la dynamo relève ou redescend le faisceau de charbons.

Le courant principal est fourni par deux puissantes dynamos du type Brownà 24p61es, donnant chacune 3o volts et 14 000 ampères. Elles sont excitées par une dynamo spéciale de 65 volts et 3 000 ampères. Le courant est amené au fourneau par des câbles fleiibles de la grosseur du bras. Les deux grandes machines sont actionnées directement à 335 tours par des turbines Jonval de 600 chevaux. La dynamo excitatrice reçoit le mouvement d'une turbine de 3oo chevaux.

On prépare une opération en chargeant au fond du creuset du cuivre en morceaux , destiné à former la base de l'alliage d'aluminium. On amène l'électrode positive sur cette couche métallique qui entre en fusion sous l'action du courant, lequel passe du faisceau mobile au revêtement conducteur; puis on verse, par les orifices n, la bauxite qui fond à la chaleur voltalque et devient

ÉLECTROMÉTALLURGIE PAR VOIE SECHE. 6o5

conductrice. On obtient ainsi , comme le montre la figure, un bain formé d'une couche inférieure de cuivre et d'une couche supérieure de minerai en fusion, au sein duquel se déplacent les charbons positifs. Sous Teffet combiné de la chaleur et de Télectrolyse, le minerai se décompose, Taluminium s'allie au cuivre faisant partie de la cathode, l'oxygène se porte sur les charbons supérieurs et forme de l'oxyde de carbone qui sort du creuset sous forme d'une flamme rendue blanche et éblouissante par les particules d'alumine entraînées. On produit ainsi des bronzes à 25 ou 3o pour cent d'aluminium.

Cette installation permet d'obtenir par jour 3oo kilogrammes d'aluminium alliés à trois ou quatre fois ce poids de cuivre. Le four fonctionne pendant des mois sans arrêt. D'après l'inventeur du procédé, le kilogramme d'aluminium contenu dans le bronze ne reviendrait qu'à 3,5o fr. On peut préparer d'une manière analogue le ferroaluminium.

Le procédé Héroult a été modifié, à Neuhausen, par M. Kiliani, en vue de la production de Taluminium presque pur. Dans le fond du creuset on dispose une couche de plombagine qui sert de cathode. L'anode est formée d'un prisme de charbon aggloméré auquel on imprime un mouvement de rotation continu autour d'un axe vertical, de manière à agiter le bain et à régulariser l'action. On fond graduellement la cryolithe, qui est le minerai utilisé, en rapprochant l'anode du fond du creuset puis en l'éloignant progressivement. A l'aide d'une cuve de 0,60 m de diamètre et de 0,60 m de profondeur, on produit ainsi 20 kg d'aluminium en 24 heures avec une dépense de 5o chevaux-heure par kg d'aluminium. La différence de potentiel appliquée varie de 20 à 25 volts.

795. — Procédé Thomson. — Parmi les applications de l'électricité au travail des métaux, la soudure électrique, d'invention récente, a acquis une certaine importance.

Dans le procédé de M. E. Thomson, les pièces à souder, barres

6o6 ÉLECTROMÉTALLURGIE.

OU fils métalliques, sont amincies et limées sur les faces à réunir. On maintient solidement les pièces, dans des étaux, pressées Tune contre l'autre par un ressort. On fait ensuite passer, par l'intermédiaire des étaux, un courant suffisamment intense à travers les bouts à réunir. La résistance opposée par le contact imparfait amène le joint au blanc soudant. A ce moment précis, on cesse l'envoi du courant et les pièces restent intimement unies. Si elles sont en fer, il est bon de marteler, après coup, le joint réchauffé, afin de rendre au métal son élasticité. Il reste, en tous cas, un bourrelet de métal fondu qu'on enlève à la lime.

Le courant employé par M. E. Thomson est alternatif. Il peut être obtenu à Taide d'un transformateur dont le circuit primaire est formé par un rouleau de fil fin en relation avec un alternateur, tandis que le circuit secondaire ne comprend qu'un seul tour d'un faisceau de barres de cuivre dont les extrémités sont reliées directement aux étaux. On règle Tiniensité du courant secondaire par des résistances artificielles introduites dans le circuit primaire.

Dans un des appareils utilisés par M. Thomson, la machine génératrice, tournant à i 800 tours, peut fournir 600 volts et 20 ampères. Le circuit secondaire du transformateur ne donne qu'un volt, mais l'intensité du courant atteint 10 000 ampères, ce qui permet de souder des barres de cuivre de 1 1 mm de diamètre. Pour souder les pièces de petit diamètre, l'inventeur fait aussi usage du courant produit directement par une machine auto-excitatrice à courants alternatifs, dont l'induit est formé de gros fil.

Le procédé de M. Thomson se prête à la soudure des conducteurs électriques et des tuyaux de conduite. Il permet de réparer des objets brisés, tels que des outils, des arbres de machine. Il peut être employé à la soudure de métaux de nature ou de qualité différentes. Lorsque le système est appliqué à la soudure d'un cercle métallique ou d'un maillon de chaîne, on empêcl\e le courant dérivé par la partie entière d'acquérir une intensité trop vive en lui faisant produire des effets magnétiques qui accroissent l'impédance opposée au flux électrique. M. Thomson a utilisé son procédé à la rivure des tôles , en portant le rivet mis en place au blanc par le courant, ce qui permet de former la tête par une pression minime.

D'après une communication faite par M. Bramwell à la Société royale de Londres, on peut souder une barre de fer ronde, de 29 mm

de diamètre, en 2,25 minutes par le procédé Thomson, tandis que des forgerons exercés ne font qu'une soudure semblable en 4,25 minutes. En désignant par i la résistance à la traction de la barre , la résistance de la soudure électrique est 0,92 et celle d'une soudure ordinaire 0,89. Le prix de la soudure électrique est estimé à 0,22 fr. ; il comprend 0,06 fr, de main-d'œuvre et 0,16 fr. de force motrice.

796. — Procédé de Bénardos et Howard. — En 188 1, M. de Bénardos a eu Tidée d^appliquer la chaleur de Tare voltaïque à la soudure autogène du plomb. Il a étendu ce procédé aux autres métaux usuels. Les pièces à souder sont placées côte à côte sur une table en fonte en relation avec Tun des pôles d'une machine ou d'une batterie d'accumulateurs. Un crayon de charbon communiquant par un conducteur souple avec l'autre pôle est amené en contact avec le point à souder , puis écarté légèrement de manière à développer, au-dessus de ce point , un arc voltaique dont la chaleur fond le métal et provoque la réunion des pièces en contact.

On évite l'oxydation en disposant, au-dessus des pièces à souder, un fondant siliceux qui soustrait le métal à l'accès de Toxygène de l'air.

Ce procédé permet de souder deux tôles de fer par leurs abouts. Dans ce but, on biseaute ceux-ci , puis on remplit la cuvette ainsi ménagée entre les tôles au moyen de limaille de fer qu'on fond en provoquant un arc entre le joint et un crayon de charbon , comme précédemment. Si les tôles sont disposées verticalement , on supporte la limaille par un coussinet en charbon.

Pour percer un trou dans une tôle , il suffit de mettre en contact avec le générateur et de provoquer un arc entre le point à percer et un crayon de charbon. Le métal fond et, si la durée de l'arc est suffisante, celui-ci perfore la pièce.

Pour river deux tôles ainsi percées, il suffit d'introduire une tige métallique dans le trou. En fondant les extrémités , on obtient des masselottes tenant lieu de têtes. On peut aussi remplir l'ouverture de rognures de métal qu'on fond au moyen de l'arc.

M. de Bénardos se sert d'accumulateurs en relation constante avec un générateur électrique dont l'énergie s'emmagasine ainsi jusqu'au moment de l'utilisation. On évite par ce procédé les à-coups provoqués par l'emploi direct des machines.

6o8 ÉLECTROMÉTALLURGIE.

Examinons les objections que peut soulever le procédé de M. de Bénardos.

Le métal est fondu à la surface, où Tare vohaîque prend naissance. Cependant , il ne paraît pas que le métal soit brûlé en cet endroit, car sa volatilisation , provoquée par la haute température , forme autour de la surface fluide une atmosphère réductrice qui protège cette surface contre Toxygène de Taîr. Cependant, la texture du métal ainsi soumis à la chaleur est cristalline. En outre , la température élevée atteinte peut provoquer une sorte de rochage et le départ des gaz occlus rend le métal spongieux.

A ces deux défauts, texture cristalline et porosité , on peut apporter deux palliatifs. Le martelage de la matière encore chaude restitue du nerf au métal et resserre le grain. Le recuit au rouge, suivi d'un refroidissement lent , corrige Taigreur provoquée par la fusion et Técrouissage.

Ces remèdes sont-ils suffisants ? C'est ce que Texpérience peut seule décider.

Les procédés de M. de Bénardos ont été essayés dans plusieurs pays du continent. En France, où ils ont cependant été mis dans les mains d'ingénieurs distingués , ils ne paraissent pas avoir donné de résultats décisifs , car ils sont restés à Tétat expérimental. En Russie, il semble qu'on se soit borné à la réparation des pièces défectueuses et à la soudure des petits récipients métalliques.

Il y a deux ans, la firme Lloyd and Lloyd, de Combs Wood (Birmingham), acquit une licence pour la fabrication des réservoirs en fer des freins Westinghouse. Après des tâtonnements assez longs, cette firme a réussi non seulement les réservoirs Westinghouse , mais encore des soudures très variées. Ce succès est dû en grande partie à M. l'ingénieur Howard, attaché depuis quelques mois à la firme susdite et qui a compris l'importance qu'il y a à réduire le plus possible la fusion des pièces soudées. Dans cet ordre d'idées, il a avisé les ouvriers maniant les charbons d'avoir à passer ceux-ci rapidement sur les surfaces à chauffer , afin de répartir la chaleur voltalque sur une masse assez grande pour éviter une concentration trop forte de la

chaleur. Il a fait plus : il a créé des outils spéciaux destinés à donner aux charbons un mouvement de translation rapide ; ainsi les couches profondes de métal arrivent graduellement à la température voulue pour la soudure. Il y a toutefois une limite à la portée du procédé. Il est évident que, comme la chaleur pénètre de Texterieur à rintérieur, il existe une épaisseur à partir de laquelle la pénétration ne peut se faire sans détérioration excessive de la surface.

Pour les pièces épaisses, M. Howard a imaginé de faire travailler plusieurs arcs à la fois, en vue d'attaquer le métal de plusieurs côtés et d'arriver plus rapidement à la température générale voulue.

Grâce à ces deux artifices , déplacement rapide de Tare et emploi simultané de plusieurs arcs, on est arrivé, à Combs Wood, à des résultats sans précédents, ce qui montre que le succès d'un procédé tient souvent à des détails d'exécution.

L'installation de soudure électrique de Combs Wood comporte une machine à vapeur compound de 1 5o chevaux, attaquant par un arbre. intermédiaire trois dynamos Crompton développant respectivement i5o, 200 et 3oo ampères sous une tension uniforme de 140 à i5o volts.

La production et l'arrêt instantanés des arcs puissants exigés par la soudure électrique occasionneraient des chocs trop violents aux appareils générateurs ; c'est pourquoi l'on utilise une batterie d'accumulateurs placée en dérivation sur les dynamos et destinée à satisfaire aux demandes très variables de courant.

La batterie a une importance exceptionnelle ; elle comporte I 800 éléments de Bénardos pesant chacun 3i kg avec Tacide. Ces éléments, du type Planté, comprennent des plaques formées de bandes de plomb alternativement droites et plissées, soudées par leurs bouts dans un cadre de même métal. La soudure autogène des lames est effectuée par le procédé électrique ; c'est même cette opération qui a donné à M. de Bénardos l'idée de la soudure par l'arc voltaîque. Ainsi le moyen est devenu plus important que le but. Les éléments travaillent à faible débit, i ampère au maximum -par kg de plaques, ce qui assure la conservation de celles'^ci sous le régime très variable auquel elles sont soumises. Malgré l'emploi des accumulateurs , les dynamos Crompton crachent beaucoup plus que celles utilisées dans les applications à l'éclairage. 2 89

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De la batterie d'accumulateurs partent deux séries de conducteurs qui se rendent dans la halle des soudures contiguë à rinstallation mécanique.

Cette halle est divisée en un certain nombre d'ateliers pourvus d'enclumes et de machines-outils à souder. On a soin d'abriter chaque atelier par des écrans, de manière à éviter que les rayons de l'arc ne frappent les yeux des ouvriers qui traversent la halle.

Les ouvriers soudeurs protègent eux-mêmes leurs yeux par des lunettes en verre d'un rouge rubis et par des écrans à main munis également de verres rouges destinés à intercepter les rayons actiniques. La main qui tient le porte-charbon est aussi préservée par un écran.

Ces précautions sont indispensables, car les arcs de 3oo à 5oo ampères exercent , sur les yeux et sur l'épiderme, un effet analogue à celui des rayons solaires dans les pays tropicaux. Ces arcs produisent sur la peau l'inflammation connue sous le nom d'insolation. On juge par là de leur effet sur le nerf optique. Les rayons obliques mêmes provoquent, sur la rétine, une impression douloureuse.

Vus à travers un verre rouge, ces puissants arcs constituent un phénomène d'une splendeur admirable. L'arc proprement dit, dont la longueur varie de 5 à lo mm, a la forme d'une coulée incandescente presque droite, d'un centimètre de diamètre. Tout autour est une gerbe de flamme due à la combustion du fer et du carbone volatilisés. Les objets éclairés voisins ont une teinte nettement violette.

On cherche à produire les arcs les plus longs possibles, afin de pouvoir étaler le plus complètement l'action calorifique, les longs arcs étant les plus faciles à déplacer sans rupture.

Les conducteurs positifs venant des accumulateurs sont reliés aux enclumes sur lesquelles appuient les pièces à souder. Les conducteurs négatifs arrivent aux charbons en passant par des rhéostats composés de bandes de fer enroulées en hélice. C'est en variant le nombre de ces bandes qu'on gradue l'intensité du courant suivant l'importance des pièces à souder. Ces résistances sont d'ailleurs nécessaires pour éviter la mise en court-circuit des dynamos.

SOUDURE ÉLECTRlQlfE. 6l I

Les charbons s'échauffent en quelques minutes de fonctionnement. On les plonge dans l'eau après les avoir remplacés par des pièces de rechange.

Voici quelques-unes des opérations auxquelles on procède à Combs Wood. Il est à remarquer que chaque opération exige un tour de main et parfois un outillage spécial. On verra ciaprès un certain nombre d'artifices employés.

1 . — L'usine de Combs Wood ayant la spécialité des tuyaux en fer, c'est particulièrement à ces pièces que la soudure électrique a été appliquée.

Les tuyaux sont faits d'une bande repliée et soudée longitudinalement. Pour les diamètres atteignant 25 à 3o cm, cette opération est extrêmement difficile par les procédés ordinaires et, jusque dans ces derniers temps, elle avait été remplacée par la rivure.

M.. Howard est arrivé à souder électriquement de la manière suivante. Le charbon , amené au-dessus des bords superposés de la tôle, est porté par une pièce à laquelle un moteur électrique imprime un mouvement combiné de rotation et de translation de manière à faire lécher par l'arc une surface de 4 cm sur 10 cm environ. Lorsque la température de l'incandescence est atteinte, la partie chauffée est glissée sur une enclume cylindrique et un marteau, mû par un moteur électrique , bat les lèvres à réunir. On peut ainsi souder des tiibes très longs par section de 10 cm.

2. — Les réservoirs à air comprimé du système Westinghouse sont des cylindres, de 2 5 cm de diamètre et de 60 cm de longueur, portant deux fonds soudés.

L'opération comporte la soudure longitudinale du cylindre par le procédé ci-dessus décrit et la soudure des fonds bombés.

Auparavant , ces opérations se faisaient exclusivement à l'aide dé chalumeaux à gaz montés en vue de cet objet. Bien que ce moyen fournit des résultats satisfaisants , la firme préfère le système électrique. Elle en donne deux raisons. La soudure par le gaz exige des ouvriers forgerons spéciaux payés très cher, alors que la soudure électrique se fait par des ouvriers ordinaires. En outre, le chalumeau à gaz doit brûler d'une manière

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continue, tandis que Parc électrique est éteint aussitôt que la chauffe est terminée.

3. — Une opération très fréquente à Combs Wood est la soudure de collets et de tubulures latérales sur des tuyaux.

Pour des tuyaux dont le diamètre n^est pas trop grand, la soudure des collets se fait par un seul arc. Pour les tuyaux de gros diamètre, on opère autrement. Le tuyau sur l'extrémité duquel on a chassé le collet est placé sur le tour et animé d'un mouvement de rotation pendant lequel 2 ou 3 arcs provoqués par des charbons fixes sont entretenus sur la jointure. Pour un tuyau de 6 mm d'épaisseur et de i3 cm de diamètre, le chauffage par 3 arcs dure environ 5 minutes. On appuie alors, à l'aide d'un levier, un galet contre l'extrémité intérieure du tuyau. La pression exercée suffit pour déterminer la soudure.

Un raccord latéral à un tuyau est préparé en découpant une ouverture convenable à l'aide d'un arc qu'on laisse agir jusqu'à la fusion du métal. Les bords de l'orifice sont relevés au marteau et rapprochés des bords correspondants du raccord. Les deux lèvres sont alors soudées à l'arc et martelées.

On fait des travaux de ce genre extrêmement compliqués; entr'autres, des serpentins en fer enfermés dans des cylindres de même métal, présentant un grand nombre de soudures qui seraient presque irréalisables par tout autre procédé.

L'arc est une source de chaleur qui occupe un volume très restreint et qui peut être amenée* en des points inaccessibles à tout autre foyer.

4, — Une des opérations les plus intéressantes est la soudure des boîtes à tubes de la chaudière multitubulaire Mill.

Le problème consiste à souder sur une boîte en acier estampé de 12 mm d'épaisseur un couvercle percé de trous destinés à rece« voir les tubes.

Après Testâmpage de la boîte, les arêtes, telles que a 6, présentent des gerçures. On agrandit les fentes par l'arc et on y coule du métal fondu par le même procédé. On martèle après chaque opéra-» tibn pour donner de la fibre à la matière. On soude ensuite le couvercle percé de trous par segments chauffés à Tare puis mar« télés. Après un recuit au rouge, les boites sont essayées à la presse hydraulique.

Fig. 524.

5, — Lorsque les pièces à souder atteignent une épaisseur de 25 mm, il n^est plus possible de chauffer le métal par Tare appliqué simplement à Textérieur. On fait alors un joint spécial. Les bords à réunir sont taillés en biseau et l'on remplit le creux par du métal fondu à Tare. Il est évident que, malgré le martelage, ce métal ajouté n'a pas les qualités du métal travaillé ; mais il est possible qu'en ajoutant une surépaisseur, on arrive à compenser l'insuffisance de la qualité.

Table analytique des matières