ALUMINIUM

I. Ristoriqae. — 2. Alumine. — 3. Chlorure double de sodium et d*aluminium. — 4. Fabricaliou du sodium. — 5. Propriétés et applications usuelles de Talumiiiium.

t. nistorlqne.

Depuis peu d'années, une remarquable industrie, la fabrication de Taluniinium, a été fondée en France.

Après avoir fait naitre quelques espérances exagérées, puis donné lieu à une réaction en sens inverse, des travaux difficiles, persévérants, ont enfin produit plusieurs résultats manufacturiers utiles et constants. Nous donnerons un exposé succinct des recherches scientifiques qui ont conduit à ces résultats, et nous examinerons ensuite les procédés mis en œuvre dans cette industrie nouvelle.

De 1807 à 1820, Davy, fierzélius, Œrsted tentèrent vainement de décomposer Talumine par les courants électriques; Œrsted essaya, mais sans succès, de réduire le chlorure d'aluminium parles métaux alcalins. Ce fut Wœhler qui découvrit, en 1827, le métal de l'alumine : la métl)ode d'extraction qu'il publia forme la base des procédés de laboratoire mis en usage pour obtenir l'aluminium, comme pour réduire plusieurs autres métaux et les extraire de leurs combinaisons.

Cependant les beaux travaux de Wœhler avaient donné du nouveau métal une idée bien imparfaite ; son état de division en petits globules et l'interposition de quelques corps étrangers le rendaient altérable par des substances auxquelles il résiste aujourd'hui; d'ailleurs la petite quantité qu'on en pouvait préparer et son prix élevé s'opposaient à toute application industrielle.

Dans ces circonstances, M. Henri Sainte-Claire Deville entreprit à l'Ecole normale, en 1854, sur Taluminium une grande série de travaux qui se sont continués sans interruption à Javel, àNanterre, puis à Alais : d parvint à obtenir pur, en masses considérables et par degrés plus économiquement, le métal de l'alumine, découvrant enfin des propriétés nouvelles qu'il avait été impossible d'observer avant lui. La mise en pra- ^ique de ces ingénieux procédés offrit des difficultés sérieuses, car il

fallut créer trois autres industries annexes, qui alors n'existaient qu en germe dans les laboratoires de chimie. MM. Debray et Morin, réunissant leurs efforts à ceux de M. Deville, et d*un autre côté M. Rousseau, près de Paris, et M. Tissier, à Amfreville-la-mi-Voie, près de Rouen, ont donné leur concours pour fonder la fabrication de l'aluminium.

Ne pouvant décrire ici les nombreuses recherches qui ont amené plusieurs phases distinctes de la préparation en grand de l'aluminium, nous nous bornerons à exposer les principaux détails des opérations instituées et successivement perfectionnées par MM. Devilleet Morin, comprenaot les préparations distinctes de Talumine, du chlorure d'aluminium, du sodium, enfin la réaction de ce dernier métal qui réduit en s'y substituant l'aluminium du chlorure.

M. Alamloe.

Le procédé le plus simj^le pour préparer Talumine consistait naguère à dessécher, puis à calciner Talun à base d'ammoniaque, sel double dont la composition est représentée par 1 équivalent de sulfate d'ammoniaque uni avec 1 équivalent de sulfate d'alumine et 24 équivalents d'eau (AzIP, IIO, SO'), (AIW, 3 SO*) H- 24HO. (Voyez plus haut, p. 565 et suivantes, la Préparation du sulfate d'alumine et de F alun.)

Pour obtenir l'alumine en grand, on jetait l'alun sur la sole chaulfêe au rouge d'un four à réverbère ; l'alun graduellement rapproché de Tautel du four était fondu dans son eau de cristallisation, puis successivement boursouflé, desséché, décomposé, laissant sur la sole l'aluinioG, résidu final de cette décomposition par la chaleur.

On retirait celle-ci à l'aide d'un râble, alors qu'elle ne laissait plus rien dégager. On en obtenait 14 pour 100 du poids de l'alun, c'esl-àdirc deux de plus que la quantité indiquée par la théorie. La différence venait d'une portion de l'acide sulfurique que la calcinalion n'avait p« (Milevcr. La présence de l'acide sulfurique dans l'alumine était fàclicuiC, cnr sous l'influence du charbon, du chlore et de la chaleur durant la préparation du chlorure double de sodium et d'aluminium, cet acide étanl réduit, son radical uni au chlore donnait lieu à la formation du chlorure de soufre, composé très-volatil, qui exerçait sur les ouvriers une action délétère ; il occasionnait en outre une perte correspondante à la quantité de chlore.

On a essayé d'extraire l'alumine par la calcination du sulfate d'alumine commercial ; mais celui-ci contenant presque toujours trop de fer ne peut donner qu*un aluminium impur. On a cru pouvoir obtenir Talumine de la cryolithe (fluorure double de sodium et d'aluminium) ; w^is ce minéral contient des phosphates qui donnent lieu à la production au

ALUMDflUM. 585

phosphore, dont la présence se retrouye dans raluminium. Tous ces procédés ont été abandonnés, depuis que l'étude approfondie d'un minerai, situé au village des Baux (*), près de Tarascon, a permis de reconnaître qu'on en pouvait extraire économiquement l'alumine plus pure que de toute autre source.

Facilement attaqué par le carbonate de soude dans un four à réverbère, il donne par un simple lessivage de Taluminate de soude 2 Âl'O', 5NaO en solution, qui ne contient aucune trace de fer en raison même do la nature alcaline du dissolvant de l'alumine (**).

On précipite l'alumine par l'acide carbonique, qui reconstitue le carbonate de soude, à évaporer pour une opération suivante.

L'alumine dense ainsi obtenue, lavée, séchée, puis calcinée, est d'une excellente qualité pour la fabrication du chlorure d'aluminium ; elle est plus pure ^et coûte quatre fois moins que l'alumine extraite de l'alun.

s. Chlomre de •cMUmn et d'alomlBlniii.

Dans les premiers temps de la fabrication du nouveau métal, on employait à son extraction le chlorure anhydre simple d'aluminium Al'CP préparé en décomposant à chaud l'alumine sous la double influence du charbon et du chlore desséchée :

AlH)»-f-C»-i-CP=5C0-HAl«CK

Le chlorure double de sodium et d'aluminium (Al*CP-i-NaCl =2404, 5) , contenant 2 équivalents d'aluminium ou 342, représente 14 d'aluminium pour 100 de son poids : pendant la réaction à chaud du chlore sur un mélange d'alumine, de charbon et de sel marin, ce chlorure double se produit et aussitôt se dégage sous forme de vapeurs facilement conden-

['} La bauxite, analysée en 182i par Berthier, qui Tavait trouvée pauvre en fer, exemple <>e silice, riche en alumine. (Voyez plus haut les ÂpplicaCionê de la soude.)

( ') A Saiindres (Gard), on mélange 400 kilogr. de bauxite en poudre avec 250 kilogr. de

sel de soude sec, et on calcine pendant 4 heures au four à réverbère, <>n brassant de temps

en temps. Le produit pulvérulent obtenu est lessivé dans des filtres a prcsaion; on emploie

wO litres d'eau pour 175 kilogr. d'aluminate de soude brut. On obtient ainsi une lessive

« j5* Banmé, tandis que le fer reste dans le résidu insoluble. La lessive est envoyée dans

des appareils appelés barattes, où elle est décomposée par l'acide carbonique. Ces appareils

«>nl des caisses rectangulaires en tôle de 2 inèlrcs de longueur, C.ÔO de larî^cur et 0»,80 de

Muteur, portant un faux fo:id traversé par un courant de vapeur permettant de chauffer le

liquide, ta lessive introduite dans l'appareil étant chauffée est soumise à l'action d'un cou-

™Qt d'acide carbonique et agitée par un agitateur mécanique. Au bout de 5 heures la dé-

^posilion est complète ; l'alumine est précipitée à Téfat grenu ; on fait alors écouler le

nieiange sur un filtre qui retient Taluminc et laisse écouler la liqueur de carlionate de

»o«de qui, concentrée â 3i*, donne des cristaux de carbonate de soude. L'alumine recueillie

«^wvéc à l'essoreuse.

hU PRÉCIS DE CHIMIE INDUSTRIELLE.

sables en un liquide qui se solidifie parle refroidissement; plus compacte et moins volatil que le chlorure simple d'aluminium, il est bien plus facile à manier sans danger. L'opération s'effectue en préparant d'abord le mélange d'après le dosage suivant :

Alumine 100, Sel marin 120, Charbon de bois 40.

Ces matières sèches et pulvémlentcs sont agglomérées à l'aide d*un peu d'eau en boules irrégulières, grosses comme le poing, puis desséchées à chaud (100 a IbO"") dans une étuve.

On en remplit des cylindres en terre à creuset : ceux-ci sont confectionnés avec 200 d'argile de forge crue en pâte et 100 de la même argile calcinée, réduite en poudre grenue; le mélange est fortement pétri. Ces cylindres lentement séchés, puis soumis debout à la cuisson, comme les creusets, ont 1™,25 de hauteur, 18 centim. de diamètre intérieur ; un court ajutage près du fond et un autre sur la même ligne à la partie supérieure permettent d'introduire dans celui du bas un tube eu grès adapté à un tube en plomb abducteur du chlore {*); rajukige supérieur reçoit un tyibe en grès qui conduit le chlorure double en vapeurs et le liquide dans un récipient formé d'un vase en terre cuite (scmblnhlc h un grand pot à fleurs non troué), recouvert d'un semblable vase ofTranl un trou latéral qui reçoit le tube et un autre trou au sommet recevaiil des tubes superposés (d'environ 6 centim. de diamètre) en poterie qui conduisent les gaz et vapeurs non condensés à la cheminée. Chacun des cylindres (dis|)osés debout au nombre de 6 ou 8 dans un seul massif de four) est chauffé par un foyer en avant-corps dont le flamme eu arrivant au haut du cylindre est renversée, circule de haut en bas autour du cylindre et se dégage par une cheminée traînante horizontale comn)une, au-dessous du four et qui aboutit dans une grande cheminée de l'usine. Chaque cylindre vertical, dont l'embouchure affleure le dessus du four, est fermé pendant l'opération avec un couvercle semblable à celui iei grands creusets et luté avec de l'argile.

Le chlore est dégagé de plusieurs appareils à quatre bombonncs. Chacun d'eux est muni d'un flacon laveur (où le barbotage sert de guide à l'opérateur) et de deux ou trois bombonnes vides dans lesquelles la plus grande partie de l'eau se condense. Lorsqu'on a fait passer de bas en haut dans un cylindre préalablement chauffé la quantité de chlore nécessaire pour consommer les 0,66 des matières premières (ce que l'on reconnaît d'ailleurs au volume du produit récolté), on cesse le dégagement du chlore, on enlève le couvercle du cylindre et l'on remplit celui-ci avec

(*) Vit i'Tis de chaque ajutage se troave une c mbnisure fennce à To'onlé par des Iiriquef rén aclaircs.

ÂLUUU^IUM. 585

les boules composées de charbon, de sel marin et d'alumine; on lute le couvercle obturateur dans la i*ainuro circulaire du cylindre, et dès que la température est élevée de nouveau au degré convenable, on fait passer le courant de chlore comme la première fois; on recueille le produit (chlorure double liquide) et Ton continue de la même manière tout le temps que les cylindres peuvent résister, car la triple influence de la température, du charbon et du chlore ne laisse aucun résidu inattaqué dans' le mélange dont les cylindres sont chargés, pourvu que les doses employées soient convenables ; la réaction produit du chlorure simple qui s'unit au sel marin, et c'est le chlorure double de sodium et d'aluminium qui se volatilise et se condense à Tétat liquide dans le vase récipient supérieur ; il se dégage même toujours, pendant les opérations, du chlorure de silicium formé aux dépens de la silice qu'attaquent simultanément le charbon et le chlore. On comprend enftn que tout le temps de la réaction il se dégage de l'oxyde de carbone provenant de la réduction par le charbon de l'alumine et de la silice. On peut faire dans chaque cylindre deux opérations en vingt-quatre heures.

Le chlorure double de sodium et d'aluminium s'étant pris en masse cristalline par le refroidissement, on le casse en morceaux et on le conserve en vase clos pour s'en servir dans la fabrication de Taluminium décrite plus loin.

4* Fabrication da ■odlam.

Davy le premier est parvenu à extraire sous l'influence d'un courant électrique le sodium delà soude; Gay-Lussac et Thénard ont décomposé la soude par le fer à une haute température ; enfin on préparait naguère le sodium suivant le procédé de Brunner, en décomposant à une température élevée le carbonate de soude, préalablement mêlé intimement avec le charbon en poudre, et condensant la vapeur du métal dans un réfrigérant large, aplati, du à MM. Donny et Mareska. Ces habiles chimistes ont constaté que le potassium et le sodium s'oxydent par l'oxyde de carbone au milieu duquel ils se forment si la température n'est ni très-basse ni très-élevée, surtout lorsque ces métaux en globules offrent une grande surface à l'action du gaz ; la principale condition de succès était donc dans la construction d'un récipient étroit à plus large surface, quipût condenser et liquéfier rapidement les vapeurs métalliques ainsi' soustraites à l'action oxydante de l'oxyde de carbone. Cependant ils employaient leur récipient à plat et le refroidissaient; M. Henri Sainte- Claire beville l'adapte au cylindre à sodium en le posant dans le sens vertical et sans le refroidir : il en résulte que le sodium s'écoule au fur ^t à mesure de sa condensation , ne présentant à loxyde de carbone

qu'une très-minime surface. Ainsi condensé à Fétat liquide, il résiste parfaitement et se réunit aussitôt, tandis qu'en refroidissant le condensateur on produisait de la fleur de sodium qui se brûlait en très-grande partie.

M. Sàinte-Clairo Deviile a d'ailleurs rendu l'opération manufacturière, en* ajoutant au mélange de carbonate de soude et charbon de la craie qui s'oppose à la fusion et au boursouflement des matières, et concourt à fournir des gaz acide carbonique et oxyde de carbone qui facilitent la vaporisation du sodium (*),

Voici le dosage employé dans la fabrique de MM. Devillc etMorin:

Carbonate de soude sec 1000 ]

— de chaux desséché pulvérulent 175 > 16i5

Charbon (houille de Charleroi en poudre) 450 )

Le carbonate de soude doit élre aussi pur que celui obtenu en desséchant des cristaux de belle qualité commerciale; sa composition alors se représente ainsi : NaO, CO*. Le carbonate de chaux est obtenu en lavant, desséchant et réduisant en poudre un calcaire pur. La houille de Charleroi présente, sur le charbon végétal ordinaire, l'avantage d'ajouter des produits gazeux réducteurs, hydrogène carboné et carbures d'hydrogène.

Les cylindres distillatoiresT (fig. 187 et 188) sont constiiiits en forte tôle ayant 10 à 12 millim. d'épaisseur, courbée, percée et rivée mécaniquement à froid ; ils ont 14 centimètres de diamètre, i'^^W de longueur, et sont à volonté fermés à chaque bout par un obturateur en fonte {**).

Ces cylindres, accouplés par deux ou trois, sont lûtes (***), recouverts d'un manchon réfractaire, chargés avec le mélange, et chauffés le plus régulièrement possible à la température du rouge blanc dans un four au-dessus d'un large foyer et sous une voûte. Dans le four employé par M. Deviile (fig. 187 et fig. 188), le foyer est partagé en deux parties égales par une murctte sur laquelle sont supportés les cylindres. Les portes K servent au chargement du combustible, et, pendant la chauifet ces portes se trouvent fermées par le combustible même accumulé surb plaque M. Un autel sépare le foyer d'un four à réverbère servant à calciner les matières premières pour la fabrication de l'aluminium ou du sodium.

(') 51. Tissier a proposé de substituer au carbonate de chaux un excès de chaiiK>n.

[**) Les charges suivantes sont préparées d'avance dans des cartouches afin de fadiiier h manipulation. On employa d'abord comme va^es distillaloires les bouteilles en fercootefiiDl le mercure importé en Fi*ancc; mais leur prix est trop élevé depuis qu'on les exporte ea assez grand nombre pour expédier le mercure en Californie et depuis que la fabrication du sodium a fait rechercher ces vases distillatoires.

(***) Le lut argileux est formé d'argile plastique, de terre à poêle et de sable de TonUistblcau qu'on laisse sécher; on remplit l'espace entre les cylindres et les manchons ivec de b briqtie réfractaire pilée.

A.LUHIMUH. 587

Les denx obturateurs en ayant, percés à leur parlic supérieure, piii-

vapeurs et les gaz ; ce sont d'abord quelques traces de vapeur d*eau, puis des hydrocarbures et hydrogène carboné de la houille, puis de Toxyde de carbone provenant de la réduction de l'acide carbonique des carbonates et de l'oxydation du carbone entraînant des particules charbonneuses. Ces gaz allumés donnent une flamme rougeâtre qui change d'aspect et devient un peu bleuâtre dès qull s'y mêle de la vapeur de sodium. C'est alors que l'on adapte à chacune des ouvertures des deux obturateurs le tube court fixé de l'autre bout à un large réfrigérant aplati en fer, à minces parois (4 millimètres d'épaisseur), ne laissant entre les deux plaques qu'un intervalle de 5 millimètres suivant le système de MM. Donny et Mareska, si heureusement modifié par M. Deville. Le but qu'on se propose d^atteindre est un abaissement subit de la température du rouge blanc au rouge sombre ou au-dessous, car dans le premier cas on obtient un dégagement simultané d'oxyde de carbone gazeux et de vapeurs de sodium condensabics dans le deuxième cas, tandis que si la transition sjeffectuait lentement, on n'obtiendrait à la température intermédiaire du rouge vif, par une réaction nouvelle, que de la soude et du charbon (ou des composés à base de soude : rhodizonate, croconate de soude, etc.); le sodium condensé dans le réfrigérant maintenu dans un plan vertical s'écoule au bas sous forme liquide et tombe dans un récipient y à demi rempli d'huile de naphte ou d'huile lourde de schiste (voyez, fin du II* volume, la fabrication de celte huile). Un fil de fer, qui traverse le réfrigérant et pénètre dans l'ajutage, permet en Tagitant de temps à autre d'éviter les obstructions. L'opération dure environ 2 heures à partir du moment où les gaz combustibles peuvent être enflammés. Avant de procéder à une nouvelle charge, on nettoie les cylindres à l'aide d'une raclette en fer.

Lorsque les deux tubes ont été chargés avec 11 kilogrammes du mélange (5^,5 pour chacun d'eux), on recueille 1^200 de sodium brut qui se solidifie en tombant dans l'huile, ou que Ton coule dans unelingotière en fonte ; on le conserve immergé dans l'huile de naphte ou de schiste. 11 reste dans le réfrigérant des concrétions de soude et de chaux entraînées en poussière retenant un peu de sodium.

On détache ce mélange à l'aide d'un ciseau aciéré, après avoir ouvert le réfrigérant, dont les deux parties étaient maintenues serrées par des ctriers à boulons filetés. Ces grattures, soumises à la fusion, donnent encore beaucoup de sodium.

En somme, on obtient de 1200 grammes de sodium brut 1100 grammes de sodium épuré, coulé en lingots, ce qui représente un peu plus que 0,2 du poids du mélange employé; le sodium ainsi obtenu coûte, j compris le bénéfice de fabrication, environ 10 francs lekilogr. au lieu de i 000 francs qu'il valait autrefois.

ALUMC^IUM. 589

On sait que le sodium à la température ordinaire est un métal mou, facile à couper; sa section ofire un aspect métallique, d*un blanc d'argent, qui se ternit aussitôt. A une basse température, il acquiert une texture cristalline et devient cassant. ChaufTé, il se fond à 90^ et entre en ébullition à la température rouge.

Projeté sur Teau, le sodium la décompose : il brûle alors en s'unissant à Toxygène et formant de la soude sans enQiammer Thydrogcnc, parce qu'en se déplaçant il ne peut élever assez la température ; mais si Teau est rendue mucilagineuse par de la gomme, le déplacement étant entravé, la chaleur se dissémine bien plus lentement et la température peut s'élever au point d'occasionner TinOammation de l'hydrogène. II est, en tout cas, important d'éviter pendant les opérations tout contact du sodium avec l'eau, et même, autant que possible, avec l'air humide.

Aluminium. — Dans les conditions économiques instituées par M. Deville, on obtient ce métal en réduisant le chlorure d'aluminium au moyen du sodium qui s'y substitue et d'un fondant qui facilite' la réunion des globules métalliques ainsi que les réactions auxquelles il prend part lui-même.

Voici le dosage employé pour la charge du four :

Chlorure double de sodium cl d'aluminium 110 kilogr.

CryolilheC) 40 —

S«Hlium 35 —

Les deux premières substances sont pulvérisées et bien mélangées ; on y ajoute, au moment de la charge, le sodium coupé en morceaux et l'on complète le mélange.

Le four à réverbère dans lequel la réaction s'effectue ressemble au four précédent; mais ses dimensions sont bien moindres (**}, Il présente cette particularité remarquable, que la flamme du foyer chauffant ordinairement toute la voûte et toute la sole, et se rendant vers l'extrémité opposée au foyer dans deux carneaux latéraux pour redescendre dans la cheminée traînante, peut, à l'aide de deux registres alternativement ouverts et clos, être dirigée à volonté dans celte cheminée directement, en

(*) La cryolithe, qui est un fluorure double de sodium et d'aluminium, est d'un emploi très-commode comme fondant.

{**) La sole elliptique a seulement 80 centimètres de longueur, entre l'autel et le bout opposé, et ^0 centimètres de large; la grille du foyer, 00 centimètres sur 50. Les briques employées à construire le four doivent être en argile réfractaire et très-compactes; on pourrait rendre ses parois, et notamment la sole, moins attaquables au moyen d*un enduit employé par H. Deville pour garantir la silice des creusets contre Taction du sodium et du fluorure de calcium. Cet enduit, formé de 4 d'alumiuc calcinée, plus 1 d'aluminate de chaux en poudre fine, passé au tamis de soie, aggloméré avec un peu d*eau, est introduit dans les joints^ et lissé à la truelle.

passant du foyer dans un large carneau pratiqué au milieu de Faute! dont on a doublé, à cet effet, l épaisseur.

La porte au bout du four est close par deux briques superposées que Ton peut déplacer successivement à la fin de l'opération ; il n'y a pas de portes latérales.

Avant de commencer la charge, on échauffe tout l'intérieur du four jusqu'à la température rouge blanc, ou de la fusion de l'argent. Alors on ouvre le registre correspondant au carneau qui traverse Tautel, et Ton ferme le registre à l'autre bout du four; puis ouvrant un carneau vertical pratiqué dans l'épaisseur de la voûte, au-dessus du milieu de la sole, on y jette péle-méle toute la charge, qui tombe sans pouvoir être partiellement entraînée dans le courant de la flamme et sans avoir le contact de l'air que ce courant intercepte : la fusion commence ; aussitôt on rétablit le courant normal en ouvrant le deuxième registre et fermant le premier, celui qui correspond à l'autel.

L'opération dure environ trois heures et demie, pendant lesquelles le sodium se substitue graduellement à l'aluminium ; au fur et à mesure de sa séparation, ce dernier métal se précipite en gouttelettes qui se rassemblent et se déposent sur la sole, tandis que le chlorure de sodium formé s'ajoute au chlorure semblable contenu dans le mélange, également liquéfié avec le fluorure de calcium.

Une partie des chlorures est entraînée en vapeurs dans le courant de flamme ; mais il en doit rester assez pour envelopper et couvrir, avec le fluorure de calcium fondu, l'aluminium qui se sépare. Cependant une partie de celui-ci et du sodium se trouve brûlée et occasionne ainsi des déperditions inévitables.

Le moment d'extraire les produits du four étant arrivé, on déplace d'abord la brique fermant la partie supérieure de la porte du bout du four opposé au foyer ; les portions les moins lourdes de la masse fluide se décantent spontanément par cette ouverture ; elles couleot sur une plaque inclinée en fonte, formant bavette au bout de l'embrasure, et tombent dans une caisse peu profonde, en tôle, portée par un chariot roulant sur un petit chemin de fer. Lorsque l'écoulement des matières salines cesse, on retire le chariot, que l'on remplace immédiatement par un autre, portant une caisse vide semblable à la première. Retirant seulement alors la deuxième brique, on fait écouler le métal fondu dans une bassine de fonte^ et on le coule en lingotières, puis on recueille les dernières scories dans un pot de fonte où Ton trouve encore un culot de quelques centaines de grammes, plus des globules qu'on sépare à l'aide du tamisage après avoir pulvérisé les scories. Celles-ci, outre le chlorure de sodium soluble, renferment des matières insolubles, parmi lesquelles le fluorure d'aluminium peut être extrait par lavage ou volatilisation'