Brevet FR2049201A1 — publié le 19710326

î 2049201 On, a déjà décrit des fours multicellulaires ayant des électrodes bipolaires inclinées pour la production d'aluni ni un par électrolyse. On sait que les électrodes bipolaires sont 5 faites en matière à base de carbone et qu'elles sont suspendues dans un bain de fluorure fondu (voir le brevet italien n° 659 283). Le bain de cryolithe en fusion est contenu dans une cuve'ayant une enveloppe extérieure en fer qui est garnie sur sa face intérieure d'une matière solide et fortement isolante électriquement 10 telle que par exemple des pièces de forme fabriquées en carbure de silicium allié à du nitrure de silicium ou en alumine fondue ou en cryolithe pure» etc... On sait qu'il est fortement désirable que le fond de la cuve présente des gradins ou une pente quelconque en 15 direction d'une ou deux rainures ou poches où se rassemble l'aluminium fondu pendant le processus d'électrolyse (voir la demande de brevet déposée en France n° 69 08 321 du 21 mars 1969 aux noms de Montecatini Edison S.p.À. èt Giuseppe de Varda)• Etant donné que la densité de l'aluminium 20 liquide est légèrement supérieure (2,3) à celle du bain en fusion (2,1), le métal produit par électrolyse dans les différentes cellules du four tend à se rassembler dans la partie la plus inférieure du fond à gradins, plus exactement dans les poches déjà mentionnées. 25 Toutefois, ces poches où se réunit l'aluminium tendent à être encrassées par le bain solidifié. Cet inconvénient dépend de la composition du bain et peut se produire même à des températures qui ne sont pas très basses allant, par exemple, de 920® à 930°G. 30 En fait, si le bain en fusion des différentes cellules qui est traversé par le courant électrique est maintenu à une température de 960°C par exemple, les couches inférieures du bain qui sont situées au—dessus du fond et en—dessous de 1'ensemble des électrodes ont une température quelque peu inférieure. 35 Cette dernière atteint une valeur minimum dans les couches du bain qui sont en contact avec le fond plein de la cuve ou avec l'aluminium liquide qui est rassemblé dans les poches. Si, pour une raison quelconque» la température des couches les plus inférieures devient trop basse, le bain commence à s'épaissir puis à- 70 23962 2 2049201 se solidifier. Cet épaississement du bain et/ou sa solidification peuvent quelquefois, en pratique, avoir lieu d'une façon presque irréversible. 5 Quand cet incident de la solidification du bain a lieu, la descente de l'aluminium produit par électrolyse dans les diverses cellules d'un four multicellulaire est gênée et ses réceptacles naturels (poches) peuvent même être obstrués. En conséquence, l'aluminium produit se répand 10 sur une grande partie de la surface du fond en gradins de la cuve en formant ainsi une couche d'aluminium presque continue à la fois dans les zones cathodiques et anodiques. Ces dernières sont traversées par des courants vagabonds qui circulent en dérivation par rapport à l'ensemble des électrodes en carbone suspendues. Ces 15 courants vagabonds exercent une influence défavorable sur le rendement du courant électrique du four multicellulaire. (ki sait que plusieurs méthodes ont été proposées pour maintenir la température des couches inférieures du bain en fusion afin d'éviter ou de' minimiser les ennuis résultant 20 de 1*épaississement ou de la solidification du bain au-dessus du fond de la cuve et, spécialement, sa tendance à s'incruster à l'intérieur des poches. Ces dernières constituent la zone de la surface du fond de la cuve qui est la plus éloignée de l'ensemble des électrodes et, par conséquent, des cellules où la chaleur est 25 engendrée. Cette situation est exactement l'opposé de celle que l'on rencontre dans les fours classiques à unique cellule horizontale. Par exemple, dans la demande de brevet déposée en France par Montecatini Edison S.p.A. et Giuseppe de Varda 30 sous le n° 69 32 126 le 22 septemble 1969» on a proposé de fournir de la chaleur supplémentaire aux poches où se rassemble l'aluminium fondu à l'aide de résistances électriques disposées à l'extérieur de ces poches (c'est-à-dire des résistances intercalées entre les couches de matière solide inerte juste en-dessous des 35 poches), ces résistances étant constituées par du graphite fibreux se présentant sous forme de tissu, de ruban ou de feutre. Toutefois, ces moyens dé chauffage ont des inconvénients qui résultent deleur fragilité. Enoutre, ils ont à supporter non seulement des;infiltrations du bain fondu mais BAD ORIGINAL 70 23962 3 2049201 aussi, quelquefois, celles du métal liquide. Ces dernières infiltrations nuisent à l'utilité des résistances en les court-circui-tant par rapport à leur source autonome d'alimentation électrique. On a conçu, expérimenté et décrit différents 5 moyens adaptés à la protection de ces résistances extérieures. Toutefois, ces moyens ne sont pas toujours faciles à mettre en oeuvre et, généralement, ils sont compliqués et plutôt coûteux. L'invention élimine de manière inattendue 10 les inconvénients rappelés ci-dessus ; elle permet de maintenir les poches de rassemblement de l'aluminium d'une manière très simple et économique au moins à une température qui est légèrement supérieure à la température critique du bain. Ainsi, on évite toute incrustation dans la partie inférieure des poches et même 15 leur obstruction totale par épaississement du bain. Pendant la marche d'un four multicellulaire, le bain de cryolithe peut avoir des températures allant de 930* à 980°G. On sait que les transferts de chaleur se font mal entre la partie supérieure et la partie inférieure du bain. 20 A ce point de vue, le comportement du bain ne diffère pas substantiellement de celui de l'eau à des températures allant de 0° à 100®C. On sait que dans un tube à essai en verre rempli d'eau et chauffé seulement à sa partie supérieure, il peut très bien coexister, au moins pendant quelque temps, quelques 25 morceaux de glace disposés au fond avec une couche d'eau en ébul-lition à la partie supérieure. Quand le four multicellulaire est en fonctionnement normal, les calories qui le maintiennent à sa température de marche sont produites presque exclusivement dans les 30 espaces entre électrodes des différentes cellules, en raison de la résistance ohmique que le bain oppose au passage du courant d*électrolyse. Les électrodes en carbone ont une conductibilité thermique beaucoup plus grande que celle du bain et, par 35 conséquent, dans ces électrodes la chaleur se propage facilement dans toutes les directions et, également, vers le fond. On sait que dans les fours multicellulaires ayant des électrodes suspendues, immergées dans un bain de cryolithe, et ayant un fond incliné en direction d'une poche d'aluminium, on ne fait pas r 70 23962 4 2049201 atteindre aux électrodes, volontairement, le fond en gradins de la cuve, afin. de. ne pas créer de court-circuit dans le four, ou, au moins, de ne pas accroître considérablement le courant électrique vagabond en dérivation extérieurement aux cellules indi-5 viduelles. Selon la présente invention, qui renverse un préjugé technique, on maintient constamment l'extrémité inférieure de la cathode terminale (ou des cathodes terminales), et d'aucune autre cathode, iamergée en permanence dans l'aluminium fondu con-10 tenu dans la poche inférieure destinée à recueillir l'aluminium. De cette façon, on assure un bon transfert de chaleur de la cathode terminale au métal rassemblé dans la poche, ce dernier étant aussi un excellent conducteur de chaleur vis-à-vis des zones avoisinantes du bain et du fond de la cuve, ce qui dissipe ou 15 empêche la formation et la dérive de couches dangereuses d'aluminium en-dessous des électrodes en carbone suspendues du four multicellulaire. Toutefois, il est nécessaire de concevoir le four qui a un fond en gradins de façon que ce contact soit main-20 tenu entre la cathode terminale et l'aluminium rassemblé dans la poche, même après que le prélèvement périodique de l'aluminium a eu lieu. Le laps de temps nécessité par l'opération de prélèvement est souvent l'une des périodes critiques pendant lesquelles des incrustations peuvent se faire plus facilement dans la poche 25 et à son voisinage. Cependant, l'invention n'est pas limitée à cette caractéristique selon laquelle il est hautement désirable de créer et de maintenir un large contact durable entre la cathode terminale et l'aluminium rassemblé dans la poche inférieure. 30 II est quelquefois nécessaire de fournir une quantité supplémentaire de calories à la cathode terminale. Ceci se rencontre chaque fois que les calories fournies par les diverses cellules (calories produites par le courant d'électrolyse) aux couches inférieures du bain (situées entre les électrodes en 35 carbone et le fond de la cuve) deviennent insuffisantes (par exemple par suite d'un refroidissement momentané du bain à cause du remplacement des électrodes, de la mise en route du four, de l'interruption du courant principal, etc) afin de maintenir la température de ces couches inférieures à une valeur supérieure à 70 23962 5 2049201 la température critique. A cet effet, l'emploi des barres de connexion d'alimentation en courant ou jonctions (conducteurs métalliques par lesquels le courant électrique quitte le four) qui pénètrent 5 depuis le haut à l'intérieur de la cathode en carbone terminale, est fortement désirable. Ainsi qu'il est bien connu, le contact fer-carbone présente une résistance ohmique notable au passage du courant électrique. Cette résistance engendre évidemment une cer-10 taine quantité de calories. Si, en maintenant constante l'intensité totale du courant électrique qui traverse le four, on déconnecte de la barre omnibus qui transporte la totalité du courant électrique du four une ou plusieurs barres de connexion cathodiques d'alimentation ou jonctions, on diminue la surface de contact totale utile fer-carbone cathodique. En conséquence, la chute de tension totale due au contact fer-carbone (des barres de connexion qui sont encore insérées dans le circuit électrique) s'élève ainsi que la quantité de calories produite à la partie intérieure de 20 la cathode terminale. Comme la cathode en carbone est un bon conducteur de chaleur, une grande fraction de ces calories se propage vers le bas lorsque l'aluminium rassemblé dans la poche est à une température plus faible que la température de la cathode terminale non réchauffée (et aussi que la température du bain électrolytique dans les cellules). Aussitôt que les conditions thermiques habituelles de la poche et du bain dans les cellules ont été rétablies on réunit à nouveau à la barre omnibus les barres de connexion 30 cathodiques, au moyen d'opérations simples et connues. On donnera maintenant, uniquement à titre d'exemple, sans intention limitative la description d'un mode de mise en oeuvre de l'invention. On se référera à la figure unique annexée qui représente schématiquement une coupe longitudinale d'un four multicellulaire ayant un fond en gradins conforme à l'invention. Sur cette figure on peut voir un four multicellulaire du type symétrique qui comprend huit électrodes 70 23962 6 2049201 bipolaires 5 espacées, suspendues et inclinées, deux anodes terminales S et une cathode terminale 3. Dans cet exemple de réalisation de l'invention (c'est-à-dire dans le cas d'un four multicellulaire de type symétrique), la cathode terminale 3 est placée 5 au centre par rapport aux autres électrodes. On comprendra facilement qu'il n'y a aucune contradiction à dire que cette cathode 3 est "terminale" bien qu'elle occupe une position centrale. En fait, en employant l'expression «électrodes terminales" on veut simplement dire que ces électrodes ont, uniquement, soit des 10 surfaces actives cathodiques, soit des surfaces actives anodiques (alors que les électrodes bipolaires sont connues pour avoir à la fois des surfaces actives anodique et cathodique). Les électrodes bipolaires 5# les anodes terminales 3 et la cathode terminale 3 limitent dix (cinq et cinq) cellules 7 dans lesquelles 15 se fait la décomposition électrolytique de l'alumine. Des gradins ou degrés 1 descendent des extrémités du four en direction de sa zone centrale où se trouve une unique poche 2 de rassemblement servant à recueillir et à prélever l'aluminium fondu produit dans les cellules individuelles 7® 20 La cathode 3 est perforée axialement de façon que l'introduction d'un appareil de prélèvement approprié (non représenté) soit possible à travers le trou 13 jusque dans la poche de rassemblement 2. Conformément à l'invention, afin d'éviter le danger de la solidification du bain électrolytique 6 et l'obstruction de 25 la poche de rassemblement 2, la cathode terminale 3 s'étend vers le bas bien à l'intérieur de la poche 2. Il est de la eœpôtence normale d'un ingénieur de construction de choisir les dimensions de la poche et la distance entre l'extrémité inférieure 4 de la cathode 3 ®t le fond 30 9 de la poche pour que, même aussitôt après une opération de prélèvement, la quantité résiduelle d'aluminium suffise à assurer un contact important et durable eatrs 1 *aluminium laissé dans la poche 2 et l'extrémité inférieurs 4 de la cathode 3* Un tel four fonctionne avec une intensité d® 35 10.000 + JjO.OOO » 20.000 ampères et ane tension de 16 volts. La chute de tension cathodique habituelle peut être maintenue, par exemple, entre 0,3 et 0,5 volt. Dans ces conditions, en marche normale» rien que la cathode terminale seule consomme une puissance ohmique de BAD ORIGINAL 70 23962 7 2049201 chauffage de 6 à 10 kilowatts. Cependant, il est très facile d'augmenter notablement cette puissance pendant une durée relativement courte, quand il est nécessaire de fournir à la poche de rassemblement de l'aluminium une quantité supplémentaire de 5 chaleur. Il suffit de déconnecter une ou plusieurs des barres de connexion 10 d'alimentation en courant cathodique à l'aide d'interrupteurs 11 pendant l'intervalle de temps désiré. Si on applique cette opération à la moitié des jonctions catho-10 diques, l'accroissement correspondant de chaleur ohmique fournie à la cathode terminale atteint 6 à 10 kilowatts supplémentaires. De cette manière, l'importance de la source thermique disposée dans la cathode terminale est presque doublée. La production de ces calories supplémentaires se révèle être 15 avantageuse avant tout à la cathode terminale en carbone et accessoirement à la poche inférieure de rassemblement de l'aluminium, celui-ci étant en contact direct et durable avec l'électrode cathodique en carbone qui est elle-même partiellement immergée dans cet aluminium. 20 Parmi les avantages remarquables apportés par l'invention, il y a qu'il n'est aucunement nécessaire de recourir à un fort accroissement de l'intensité du courant (même pendant des périodes de temps limitées et à condition que les redresseurs soient capables de supporter une telle élévation 25 importante de l'intensité) quand on désire dissoudre ou prévenir des incrustations au fond du four multicellulaire. Une telle élévation brutale (bien que courte) de l'intensité se traduit par un accroissement préjudiciable de la densité du courant électrolytique, par la détérioration et la 30 réduction de la durée du bain électrolytique et des électrodes, et enfin par un affaiblissement du rendement du courant. En outre, ce moyen n'atteint pas souvent le résultat désiré parce que la grande quantité de chaleur ohmique fournie par l'accroissement de l'intensité du courant ne parvient 35 pas (ou ne parvient que partiellement et insuffisamment) aux couches inférieures du bain et à la partie intérieure de la poche de rassemblement de l'aluminium ; par conséquent il ne peut pas toujours se développer dans celle-ci une action de réchauffage (pour parvenir à l'élimination des incrustations par fusion du 40 bain solidifié dans la poche elle-même). 70 23962 g 2049201 REVEHDTCATIONS 1°/ Four multicellulaire pour production d'aluminium par électrolysè d'alumine dans des bains de fluorure en fusion, comprenant une cuve contenant tin bain, un garnissage de sa surface 5 intérieure par une matière solide et électriquement isolante, une pluralité d'électrodes bipolaires intermédiaires et d'électrodes mohopolaires terminales, ces électrodes étant suspendues dans le bain avec une certaine inclinaison et constituées par une matière à base de carbone, le fond de la cuve de ce four descendant par 10 degrés en direction d'une poche de rassemblement de l'aluminium produit par électrolyse, cette poche se trouvant sous une cathode terminale et au milieu du fond de la cuve, caractérisé en ce que la cathode terminale s1étend bien à l'intérieur de la poche de sorte qu'un bon contact durable est réalisé entre la matière à 15 base de carbone de cette électrode et l'aluminium fondu rassemblé dans la poche afin qu'il se produise, pendant la marche du four, un bon transfert de chaleur de la cathode en carbone à travers l,aluminium fondu vers les zones voisines du bain et du fond de la cuve• 20 2°/ Four multicellulaire selon la revendication 1 dans lequel la àathode terminale contient une pluralité de barres ou jonctions de connexion métalliques d'alimentation en courant, caractérisé en ce qu'une au moins des barres de connexion est disposée de manière qu'elle peut être facilement réunie électri-25 quement à la barre omnibus d'alimentation du four et isolée électriquement de cette barre à l'aide de moyens connus de connexion et d'isolement. 3°/ Four multicellulaire selon la revendication 1 caractérisé. en ce que la poche de rassemblement de l'aluminium a des 30 dimensions et un volume tels que, après le prélèvement périodique de l'aluminium produit par le four, un contact direct entre l'électrode terminale en matière à base de carbone et l'aluminium résiduel qui subsiste dans la poche est maintenu afin qu'à tout moment un transfert de chaleur approprié ait lieu entre la cathode 35 et l'aluminium résiduel en fusion. 4°/ Procédé de production d'aluminium par électrolyse dans un four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on débranche momentanément et qu'on rebranche une ou plusieurs barres de connexion d'alimentation en 40 courant de la cathode terminale afin d'accroître et 70 23962 9 2049201 même de rendre maximum la température de la cathode en carbone en vue d'élever et de conserver la température de l'aluminium fondu rassemblé dans la poche sous cette cathode ainsi que le bain à son voisinage à des valeurs supérieures à la température criti-5 que de solidification et/ou d'épaississement du bain de cryolithe. 5°/ Procédé de production d'aluminium par élec -trolyse dans un four selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'on plonge partiellement mais durablement la cathode terminale en carbone dans l'aluminium fondu 10 rassemblé dans la poche pendant et après les prélèvements périodiques d'aluminium produit par le four lorsque, à la suite du prélèvement de l'aluminium dans le four, le niveau du métal dans la poche a été abaissé.