Brevet FR2053078A1 — publié le 19710416

2G53078 La présente invention concerne une structure de sole pour cellule électrolytique à cathode mobile de mercure. Elle concerne plus particulièrement une structure dans laquelle une plaque de sole en acier est unie à un dispositif collecteur de 5 courant d'une manière nouvelle afin de permettre l'évacuation du courant de toute la surface de la sole d'une manière sensiblement uniforme. les cellules pour l'électrolyse de solutions de chlorure de métal alcalin utilisant une cathode mobile de mercure sont 10 habituellement construites avec une sole en acier parce que l'acier est relativement bon marché et est mouillable par le mercure et l'amalgame de métal alcalin liquide,en sorte que l'on peut faire s'écouler une couche mince de mercure ou d'amalgame dilué sur la surface en acier en un film continu, pour former la cathode active 15 de la cellule, si la sole est inclinée à un angle convenable par rapport à l'horizontale, le courant d'électrolyse est évacué de la cathode au travers de la sole en fixant des conducteurs, par exemple des bandes de cuivre, en un ou plusieurs points le long d'un bord ou le long des bords opposés de la sole. 20 Comme les cellules modernes à anodes multiples peuvent avoir une surface anodique et cathodique de plusieurs dizaines de mètres carrés, une grande partie du courant d'électrolyse, après avoir pénétré dans la sole, doit parcourir dans celle-ci une distance appréciable avant de pouvoir être évacué par les bandes de 25 cuivre qui sont fixées au bord de la sole. Comme la conductivité électrique de l'acier est assez faible, la sole doit être relativement épaisse et est par conséquent très lourde, spécialement si l'on veut travailler aux densités de courant élevées proposées récemment, en vue de réduire la chute de tension dans la sole à 30 des proportions acceptables et pour minimiser les différences de la résistance ohmique totale qui est opposée aux courants provenant d'anodes individuelles. La présente invention décrit une structure de sole qui s'approche plus étroitement de l'idéal pour la collection du cou-35 rant individuel de chacune des anodes en un parcours à faible résistance et qui permet d'opérer à des densités de courant plus élevées sans devoir augmenter l'épaisseur de la sole en acier conventionnelle. 70 27116 2 2053078 Suivant la présente invention, on propose une structure de sole pour cellule électrolytique à cathode mobile de merc.ure, comprenant une plaque en acier pour supporter la cathode de mercure en circulation et une plaque collectrice du courant fabriquée en 5 un métal à conductivité électrique plus grande que celle de l'acier, lesdites plaques étant sensiblement parallèles l'une à l'autre et espacées l'une de l'autre au moyen d'un jeu d'entretoises en aluminium uniformément réparties sur la surface commune des deux plaques, une extrémité de chacune des entretoises étant soudée par 10 friction à la plaque en acier et chaque entretoise étant connectée électriquement de manière rigide, à son autre extrémité ou près de celle-ci, à la plaque collectrice du courant. De préférence, la plaque collectrice du courant est fabriquée en aluminium. D'autres matériaux à haute conductivité élec-15 trique peuvent éventuellement être utilisés, par exemple le cuivre ou un alliage à teneur prépondérante en aluminium. La plaque collectrice peut, elle-même, consister en un ensemble de plaques plus étroites dont les bords sont parallèles les uns aux autres et qui parcourent substantiellement la longueur ou la largeur de la 20 plaque d'acier,. Pour obtenir la résistance électrique globale mini-ma, de telles plaques plus étroites doivent être disposées sensiblement bord à bord, mais si l'épaisseur des plaques par rapport à la densité du courant le permet elles peuvent être espacées les unes des autres à toute distance convenable. En outre, 25 la plaque collectrice du courant peut se prolonger le long d'au moins un bord au-delà de la surface de la plaque d'acier afin que les extensions servent de barre-omnibus et/ou de connexions de commutation conduisant à la source du courant d'électrolyse ou à des cellules voisines si l'on opère dans une série de 30 cellules. Suivant l'une des formes de réalisation de l'invention, chacune des entretoises en aluminium soudées par friction à une extrémité à la plaque en acier est connectée électriquement de manière rigide à ia plaque collectrice du courant en ménageant 35 dans la plaque collectrice une ouverture correspondante ayant approximativement le même diamètre que 1'entretoise, en passant l'autre extrémité de 1'entretoise dans l'ouverture ou en la passant à travers l'ouverture de telle sorte qu'elle fasse 70 27116 3 2053078 saillie et en effectuant une soudure par fusion en atmosphère protectrice à gaz inerte, par exemple une soudure à l'arc dans l'argon, le long de la circonférence de 1'entretoise à son extrémité libre ou près de celle-ci afin de solidariser l'entre- 5 toise à la plaque collectrice. autre Suivant une/forme de l'invention, chacune des entretoises en aluminium soudées par friction à une extrémité à la plaque en acier est connectée électriquement de manière rigide à la plaque collectrice du courant par une autre soudure par 10 friction qui est réalisée à l'aide d'une seconde entretoise en aluminium. Une méthode de production d'une structure conforme à cet aspect de l'invention consiste à pratiquer dans la plaque collectrice du courant une ouverture correspondant à l'extrémité libre de chacune des entretoises fixées mais de diamètre plus 15 petit que celui de 1'entretoise, en abutant l'extrémité libre de 1'entretoise fixée contre la plaque collectrice afin de couvrir ladite ouverture et en soudant par friction à 1'entretoise fixée, à travers l'ouverture correspondante dans la plaque collectrice et à la surface adjacente de la plaque collectrice, une 20 seconde entretoise en aluminium ayant à peu près le même diamètre que 1'entretoise fixée. Les ouvertures pratiquées dans la plaque collectrice avant l'assemblage ont, de préférence, un diamètre égal à environ 0,8 fois le diamètre des entretoises en aluminium. Une autre méthode de production d'un ensemble suivant 25 l'exécution mentionnée en second lieu consiste à chanfreiner l'extrémité libre de chaque entretoise fixée sur une longueur dépassant d'environ 0,317 cm l'épaisseur de la plaque collectrice du courant ( un chanfrein convenable peut avoir un demi-angle d'environ 13° ) et à pratiquer dans'la plaque collectrice une 30 ouverture chanfreinée correspondant à l'extrémité libre de 1'entretoise de telle sorte que lorsque les parties sont unies l'extrémité de 1'entretoise dépasse l'ouverture de la plaque d'environ 0,317 cm. La soudure par friction est ensuite réalisée en faisant tourner une seconde entretoise en aluminium, ayant à peu 35 près le même diamètre que le diamètre global de lrentretoise fixée, en contact bsut à -bout avec 1'entretoise fixée jusqu'à ce qu'elle soit unie à la plaque collectrice du courant et aussi à l'extrémité de 1'entretoise fixée. 70 27116 4 2053078 L'invention est illustrée encore par les réalisations présentées aux figures 1 à 10 annexées, ces figures n'étant pas à l'échelle. Les figures 1 à 3 représentent des coupes verticales au travers d'une paire d'entretoises coopérantes, à 5 trois stades du procédé décrit en premier lieu pour la production d'un assemblage suivant la deuxième forme d'exécution de l'invention. La figure 4 représente une coupe verticale au travers d'une entretoise choisie dans un assemblage réalisé suivant la 10 première variante d'exécution de 1'invention,et la figure 5 est une vue prise du bas en projection isométrique d'une partie d'un assemblage de sole conforme à. cette réalisation montrant la disposition convenable de plusieurs entretoises à un certain stade de la construction auquel il reste encore à attacher deux 15 rangées d'entretoises à la plaque collectrice du courant. Les figures 6 et 7 montrent les positions d'essais utilisées pour la mesure de la chute de la tension électrique à travers une soudure par friction entre une entretoise en aluminium et une partie de la plaque en acier doux. 20 La figure 8 représente une mise en place adéquate des parties en vue de la réalisation d'une soudure par friction aluminium/aluminium par la deuxième méthode décrite pour la production d'un assemblage suivant le mode de réalisation de l'invention indiqué en second lieu. 25 La figure 9 (élévation) montre la disposition utilisée pour mesurer la résistance électrique entre la plaque en aluminium et la plaque en acier à travers les deux soudures par friction, pour une partie d'assemblage exécutée de cette façon, après que les plaques aient été amenées aux dimensions indiquées. 30 La figure 10 (coupe le long de l'axe des entretoises) représente les positions des pièces coupées pour l'essai électrique, respectivement dans les soudures par friction aluminium/aluminiim et alTaminitna/acier doux du même assemblage. 70 27116 5 2053078 Dans la figure 1, on montre une partie de la plaque d'acier 1 (épaisseur convenable 1,27 - 2,54 cm) qui est destinée à supporter sur sa partie supérieure la cathode mobile de mercure après installation de la sole dans la cellule électrolytique. Le chiffre 2 5 indique une entretoise en aluminium, ayant opportunément un diamètre d'environ 7»62 cm, qui a été fixée à la plaque en acier par une soudure par friction indiquée en 3. La figure 2 montre le stade suivant dans la oonfection de l'assemblage, stade auquel l'extrémité libre de 1*entretoise en aluminium 2 est abutée contre une plaque collec-10 trice du courant 4 (opportunément une plaque en aluminium d'environ 1,9 cm) qui a été pourvue d'une ouverture 5 faisant face à l'entre-toise 2 mais ayant un plus petit diamètre (opportunément un diamètre d'environ 6,35 cm pour une entretoise de 7»62 cm de diamètre). La figure 3 montre le stade final, au cours duquel une seconde entre-15 toise d'aluminium 6 ayant à peu près le même diamètre que l'entre-toise 2 a été appliquée au- côté opposé de la plaque 4 et a été mise en rotation sous pression croissante afin de l'unir à la plaque 4 à travers l'ouverture pour exécuter une soudure par friction comme indiqué en 7 avec l'extrémité de 1'entretoise 2 et la surface avoi-20 sinante de la plaque 4. Dans l'ensemble de la sole, plusieurs entretoises 2 et 6 sont mises en place de manière similaire (non montré) afin d'unir les plaques 1 et 4. Il est opportun que les entretoises soient fixées en rangées parallèles sur la surface commune des deux plaques, leurs centres étant espacés d'environ 25,4 à 63»5 cm. Il est 25 entendu, cependant, que le diamètre des entretoises peut varier, ainsi d'ailleurs que leur écartement relatif, en dedans ou en dehors des limites indiquées, en fonction de la densité du courant à laquelle on veut faire fonctionner la cellule. Selon l'exécution de l'invention illustrée par la figure 4, 30 la plaque d'acier qui est destinée à supporter la cathode mobile de mercure, en cours de fonctionnement de la cellule, est également indiquée par le chiffre 1. Chaque entretoise en aluminium, indiquée ici par le chiffre 8, est également fixée à la plaque 1 au moyen d'une soudure par friction 3,mais elle est de longueur suffisante 35 pour passer au travers d'une ouverture de même diamètre ménagée dans la plaque collectrice du courant 4» opportunément une plaque en aluminium comme précédemment, et 1'entretoise a été fixée dans la plaque 70 27116 6 2053078 4 au moyen d'une soudure périphérique par fusion. 9» effectuée par exemple par soudage à l'arc dans l'argon. Dans l'ensemble de la sole se trouvent un certain nombre d'entretoises 8 distribuées uniformément sur la surface commune des plaques 1 et 4» par exemple en 5 rangées parallèles comme il est montré à la figure 5. le côté gauche de cette vue isométrique montre deux rangées de six entretoises 8 qui ont été soudées par friction comme indiqué en 3 à la plaque d'acier 1 et sont prêtes à être soudées à la plaque collectrice du courant. Le côté droit"de la figure montre une plaque collectrice du 10 courant formée par un ensemble de plaques plus étroites 12 qui sont disposées approximativement bord à bord au travers de la largeur de la plaque en acier. Les entretoises 8 passent à travers les ouvertures dans les plaques 12 et y sont fixées par des soudures 9. Dans la forme d'exécution indiquée à la figure 5» les bords opposés 15 des plaques 12 qui se prolongent au-delà de la surface de la plaque en acier 1 ont été courbées en 13 pour présenter une surface verticale destinée à permettre la fixation de commutateurs ou d'autres connexions électriques. Un avantage supplémentaire des assemblages de sole conformes 20 à l'invention consiste en ce que les points au bas de l'ensemble où les entretoises sont fixées offrent des positions adéquates pour le placement d'un vérin permettant de soulever ou d'abaisser des parties de surface de l'ensemble afin d'obtenir une surface supérieure plane de la plaque d'.acier 1 sur laquelle la cathode de mercure doit s'écou-25 1er, évitant ou réduisant ainsi la nécessité d'usiner cette surface en un plan parfait lors de l'installation dans la cellule. Si on le désire, l'extrémité de saillie de chaque entretoise peut être munie d'un bout mâle de plus petit diamètre pour ajuster le vérin comme indiqué en 10-à la figure 3. Dans la figure 3 on montre également que 30 le bout mâle peut comporter une perforation transversale 11 à laquelle il est possible d'attacher le vérin si l'on a besoin d'une traction vers le bas pour niveler la sole. Les exemples ci-après illustrent l'emploi de la technique du soudage par friction dans la fabrication d'ensembles conformes à 35 l'invention, ainsi que l'essai des soudures et la faible distorsion produite par le soudage. 70 27116 7 2053078 Trois entretoises en aluminium de 7»62 cm de diamètre ont été fixées en ligne à une plaque en acier doux de 1,27 cm d'épaisseur à des intervalles de 35,56 cm en soudant par friction à la plaque une extrémité de chaque entretoise sous une charge maximale de 5 40 640 kg environ. Aucune préparation spéciale des entretoises en aluminium n'a été effectuée, elles ont été soudées à l'état brut de sciage. La plaque d'acier doux a été planée aux endroits prévus pour le soudage, afin d'éliminer localement les battitures et la rouille de ces endroits. 10 La mesure de la distorsion de la plaque en acier doux après soudage a mis en évidence une légère formation locale de fossettes dans la plaque, aux points de soudage, avec un maximum de 0,254 mm. On n'a constaté aucun courbement de la plaque. Des mesures électriques ont été effectuées sur chacune de ces 15 soudures, comme on le montre pour une soudure à la figure 6 (vue en plan) et à la figure 7 (élévation) dans lesquelles les parties 1, 2 et 3 sont les mêmes que celles de la figure 1. On a fait passer un courant de 50 ampères dans l'extrémité libre de l1entretoise en aluminium comme indiqué en 14 et on l'a fait sortir aux bords opposés de 20 la plaque en acier doux comme indiqué en 15 et en 16. Des mesures de différence de potentiel ont été effectuées en utilisant des électrodes ayant un écartement linéaire constant de 5,45 cm entre les positions 17-17', 18-18', 19-19' et 20-20' en regard de l'interface aluminium/ acier doux (la distance réelle entre les électrodes dans le métal 25 autour de la courbure en angle droit étant de 7,72 cm) et entre les positions 21-21' dans la plaque en acier doux et 22-22' dans l'en-tretoise en aluminium. Les résultats sont présentés au tableau I. Une entretoise en aluminium de 7,62 cm de diamètre a été soudée par friction à l'une de ses extrémités à une plaque en acier doux 30 de 1,27 cm d'épaisseur comme décrit à l'avant-dernier paragraphe. L'autre extrémité de 1'entretoise a été ensuite unie à une plaque en aluminium de 2,86 cm d'épaisseur au moyen d'une soudure par friction faite à l'aide d'une seconde entretoise en aluminium. La préparation des parties avant l'exécution de cette seconde soudure est illus— 35 trée à la figure 8, dans laquelle 23 représente la plaque en aluminium, 24 l'extrémité libre de 1'entretoise en aluminium dont l'extrémité opposée est déjà fixée à la plaque en acier (non montré) et 25 70 27116 8 2053078 la seconde entretoise en aluminium. L'extrémité libre de l'entre-toise 24 a été chanfreinée à un angle de 13° et une ouverture a été ménagée dans la plaque en aluminium 23 en correspondance avec ce chanfrein. Lë soudage par friction a été effectué en faisant 5 tourner l'extrémité de 1'entretoise 25 contre l'extrémité de 1'entretoise 24 faisant saillie à travers l'ouverture dans la plaque 23 et contre la surface adjacente de la plaque sous une charge maximale de 40 640 kg environ, la plaque en aluminium étant supportée annulairement à 30,5 cm de la ligne des centres des entretoises. La 10 figure 9 représente l'assemblage partiel terminé après coupage des plaques aux dimensions indiquées pour l'essai électrique. On a trouvé que la résistance électrique mesurée entre les points A et B n'était que de 1,40 microohms. Six éprouvettes, ayant chacune 2,54 cm de longueur et 0,95 cm de diamètre, ont été tournées à 15 partir de l'assemblage partiel dans les régions des deux soudures aux positions indiquées par les nombres 31 à 36 à la figure 10. On a fait passer un courant de 50 ampères à travers chaque éprouvette et on a mesuré la différence de potentiel au moyen d'électrodes sur une distance de 1,45 cm à travers l'interface de la soudure. 20 TABLEAU I Soudure ÎT° Différence de potentiel - Millivolt Aluminium solide 22-22» Acier doux solide 21-21' A travers l'interface aluminium/acier doux 17-17' 18-18'" 19-19' 20-20' Moyenne 1 0,015 0,082 0,100 0,117 0,103 0,083 o *• •» o 2" 0,015 0,079 0,104 0,092 0,102 0,135 0,108 3 0,018 0,096 0,104 0,074 0,080 0,112 0,093 Les résistances spécifiques de l'acier doux et de l'aluminium ont ébé calculées à partir de mesures sur des éprouvettes en métal solide de mêmes dimensions ; ces valeurs ont été utilisées pour calculer la résistance de l'interface de la soudure dans les 35 six éprouvettes 31 à 36 sur leur surface en coupe transversale de 0,7 cm . Les résultats sont donnés au tableau II. 70 27116 9 TABLEAU II 2053078 5 10 Eprouvette Résistance Résistance Résistance à Type W mesuree spécifique l'interface ii n uncm VCL Al/Al 31 5,6 - zéro II 32 5,6 - zéro 11 33 5,8 - zéro Al solide - 5,8 2,84 - Al/acier 34 21,0 - 1,20 I! 35 22,0 - 1,94 Il 36 25,0 - 2,30 Acier solide - 33,8 16,5 - 70 27116 10 2053078 - REVENDICATIONS - 1. Structure de sole pour cellule électrolytique à cathode mobile de mercure, comprenant une plaque en acier pour supporter la cathode de mercure en circulation et une plaque collectrice du courant fabriquée en un métal à conductivité électrique plus grande 5 que celle de l'acier, lesdites plaques étant sensiblement parallèles l'une à l'autre et espacées l'une de l'autre au moyen d'un jeu d'entretoises en aluminium uniformément réparties sur la surface commune des deux plaques, une extrémité de chacune des entretoises étant soudée par friction à la plaque en acier et chaque entretoise étant 10 connectée électriquement de manière rigide, à son autre extrémité ou près de celle-ci,à la plaque collectrice du courant. 2. Structure de sole suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la plaque collectrice du courant est fabriquée en aluminium . 15 3. Structure de sole suivant la revendication 1 ou la reven dication 2, caractérisée en ce que la plaque collectrice du courant consiste en un ensemble de plaques plus étroites dont les bords sont parallèles les uns aux autres et qui parcourent substantiellement la longueur ou la largeur de la plaque en acier. 20 4. Structure de sole suivant l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce que la plaque collectrice du courant se prolonge le long au moins d'un bord au-delà de la surface de la plaque en acier afin que les extensions servent de barre-omnibus ou de connexions de commutation. 25 5. Structure de sole suivant l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisée en ce que chacune desdites entretoises en aluminium est connectée à la plaque collectrice du courant au moyen d'une soudure par fusion le long de la circonférence de l'entretoise. 30 6. Structure de sole suivant l'une quelconque des revendica tions 1 à 4, caractérisée en ce que chacune desdites entretoises en aluminium est connectée à la plaque collectrice du courant au moyen d'une soudure par friction faite à travers une ouverture ménagée dans la plaque collectrice entre l'extrémité de ladite entretoise 35 éloignée de la plaque en acier et une extrémité d'une seconde entre-toise en aluminium qui est elle-même également soudée par friction à la surface adjacente de la plaque collectrice. / / 70 27116 n 2053078 7. Procédé de fabrication d'une structure de sole pour cellule électrolytique à cathode mobile de mercure telle que revendiquée à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fixe sur une surface d'une plaque en acier un jeu substantiellement uniforme d'entre- 5 toises en aluminium par soudage par friction d'une extrémité de chacune des entretoises à la plaque en acier et en ce qu'on connecte électriquement de manière rigide chacune desdites entretoises à son autre extrémité ou près de celle-ci à ungfrlaque collectrice du courant fabriquée en un métal ayant une conductivité électrique plus 10 grande que celle de.l'acier, la plaque collectrice du courant étant fixée d'une manière sensiblement parallèle à la plaque en acier. 8. Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chacune desdites entretoises fixées à la plaque en acier est connectée à la plaque collectrice du courant en ménageant dans la plaque 15 collectrice du courant des ouvertures correspondant à chacune des entretoises et ayant approximativement le même diamètre que les entretoises, en ce qu'on fait passer l'extrémité de chaque entretoise dans ou à travers l'ouverture correspondante et en ce qu'on réalise un soudage par fusion en atmosphère protectrice le long de la cir-20 conférence de chacune des entretoises de façon à unir l'entretoise à la plaque collectrice du courant. 9. Procédé suivant la revendication 7» caractérisé en ce que chacune desdites entretoises fixées à la plaque en acier est connectée à la plaque collectrice du courant en ménageant dans la plaque 25 collectrice du courant des ouvertures correspondant à chacune des entretoises et en soudant par friction à chacune desdites entretoises, à travers l'ouverture correspondante dans la plaque collectrice et à la surface adjacente de la plaque collectrice, une extrémité d'une seconde entretoise en aluminium ayant substantiellement le même 30 diamètre que les entretoises fixées.