Brevet FR2048055A1 — publié le 19710319

On connaît depuis quelque temps des fours multicellulaires pour la production d'aluminium par élëctrolyse qui sont équipés d'électrodes bipolaires en matière à base de carbone ayant-des surfaces actives drélectrolyse inclinées,. 5 Ainsi, par exemple, dans le brevet américain n° 3 029 194 déposé le 7 janvier 1955 on décrit des surfaces'élee-trolytiqûement activés qui sont inclinées par rapport à la verticale d'un angle compris entre 0° (cas limite dans lequel les surfaces d'électrolyse sont verticales ou presque verticales) et 10 70° (cas limite dans lequel les surfaces d'électrolyse sont subhorizontales). Cependant, dans une réalisation préférée, les angles d'inclinaison ont des valeurs comprises entre 15° et 45°. Toutefois., dans un tel four* il est prévu des électrodes bipolaires fixes logées dans les par-ois latérales de la cuve 15 du four multicellulaire qui contient le bain de cryolithe en - ' fusion. Selon un mode de réalisation plus récent de ces fours multicellulaires (voir le brevet américain n° 3 5^3 déposé le 1er août 1962), il est prévu des électrodès"suspendues par 20 le haut et simplement immergées dans le bain de cryolithe, sans contact avec les parois latérales ou le fond de la cuve. Il est par conséquent tout à fait évident que, puisque les électrodes sont simplement suspendues et non logées dans les parois latérales du four, il n'aurait pas été raisonnable dradopter dans ces 25 fours des électrodes très inclinées (sub-horizonjbales) au lieu d'électrodes peu inclinées (sub-verticales). En fait, plus leur position est verticale, plus le'dispositif de suspension nécessaire est simple. En outre, l'adoption d'une disposition, sub-horizon-30 taie (c'est-à-dire avec une inclinaison supérieure à 45° et inférieure à 90° par rapport à la verticale) des électrodes implique, au moins apparemment, une moins grande manoeuvrabilité de ces dernières et une moins bonne compacité du four. De plus, il faudrait surmonter le préjugé technique 35 selon lequel on pense que, contrairement aux fours classiques (avec cathode horizontale recouverte d'une'couche d'aluminium fondu), il est avantageux d'adopter un angle d'inclinaison compris entre 15° et 45° (position sub-verticale) au lieu d'une inclinaison"sùb-horizontaie comprise entre, par exemple, 46° et 40 69°, comme déjà mis en évidence bien que non recommandé pôCd? le gAD ORIGINAL 70 23961 2048055 four du. brevet n°_ 3.029 1.94» . Du point"de'vue du fonctionnement il semble, en fait, plutôt préférable dropérer avec des électrodes sub-verticales au lieu d'électrode© sub-Iiorizontales dans la mesure où les pre-5 mières permettent apparemment un dégagement beaucoup,plus rapide des gaz d'électrolyse et un temps de contact beaucoup plus court de ces gaz (en particulier du G02)..avec les surfaces anodique-s actives à .base'de carbone, surfaces qui forment dans chaque cellule individuelle une sorte de toit incliné» 10 .De même, on peut très raisonnablement supposer q'u'un temps de contact plus court, des gaz avec le bain.-et, par censé-. quent, avec les très fines particules d!aluminium suspendues dans celui-ci, se traduirait par une'amélioration de l'efficacité du courant. Ainsi qu'on le sait, l'efficacité du courant est réduite .15 par la réoxydation partielle des particules d!aluminium en raison de. l'action du ÇOg. gazeux"présent dans le bain» Toutefois, jusqu'à présent aucun rapport d'aucune sorte n'a été découvert .entre 1'inclinaison .des surfaces actives d'électrolyse et l'efficacité du courant dans un four multicellulai-20 re. Il a été constaté maintenant, avec surprise, à la suite d'essais comparatifs exécutés sur des fours multicellulaires ayant des électrodes sub-verticales et des.électrodes sub-horizontalss, que l'efficacité du courant non seulement ne décroît pas comme on 25 s'y serait très raisonnablement attendu mais montre une élévation brutale quand l'inclinaison des surfaces actives .d'électrolyse change de la position sub-verticale à la position sub-horizontals (c'est-à-dire ayant une inclinaison supérieure à 45° par rapport à la verticale). . ■ 30 Plus exactement, on a constaté qu'une telle élévation brutale de l'efficacité du courant atteint sa' valeur maximum quand l'inclinaison des surfaces actives d'électrolyse est com-■ prise entre 50° et 70°, par exemple quand elle a une valeur de 60° environ. 3 5 - • Ce résultat est particulièrement inattendu étant donné - qu'aussi :longtemps-que l'inclinaison des -électrodes varie dans la gamme des positions sub-verticales (exactement dans la gamme des . - positions comprises entre 0° et 45°) on-ne remarque aucune varia-. tion définie de l'efficacité du courant qui pourrait avoir .incité 40 l'homme de l'art expérimenté à faire des recherches dans le clo- Bm ORIGINAL 23961 ? 2048055 maine prometteur, bien que plein de difficultés, des positions sub-horizontales. L'élévation brutale de l'efficacité du courant est très probablement due à une variation qualitative du phénomène très complexe électro-chimique et électrophysique qui se produit pendant la décomposition électrolytique de l'alumine dissoute dans le bain de fluorure en fusion, dans les conditions opératoires d'un four multicellulaire. On n'a pas été en mesure jusqu'à maintenant de faire une lumière quelconque sur les phénomènes différents en nature et pas seulement en.degré qui se produisent quand, et seulement quand, on passe par la valeur critique de 45° environ. Oh"fera mieux comprendre l'invention et on mettra mieux en évidence ses caractéristiques au cours de la description donnée ci-dessous uniquement à titre d'exemple, et sans intention limitative, d'un mode de réalisation de 1-'invention. On se référera à la figure unique annexée qui représente schéma-tiquement une coupe longitudinale d'un four multicellulaire ayant un fond en degrés ou gradins comme celui déjà décrit dans la demande de brevet n° 69 08J21 déposée en France par les demandeurs le 21 mars 1969. On voit sur"cette figure un four multicellulaire qui comprend trois électrodes bipolaires inclinées 5, espacées et suspendues, une anode terminale 8 et une cathodé terminale 9. Les électrodes bipolaires 5, l'anode terminale 8 et la cathode terminale 9 limitent quatré cellules 7 dans lesquelles se produit la décomposition électrolytique d'un bain 6. Des degrés 1 descendent des extrémités 3 du four en direction de la zone centrale où se trouve une unique poche 2 pour le rassemblement et le prélèvement de l'aluminium fondu'4-produit dans les diverses cellules 7. Conformément à l'invention, les électrodes bipolaires 5 de même que la surface 8' active électrolytiquement de l'anode terminale 8 et la surface active 9' de la cathode terminale 9 sont inclinées de 60° par rapport à la verticale. . -Le four représenté fonctionne avec une intensité de courant de 10 000 ampères et une tension de 12 volts. La distance moyenne intèrpolaire (c'est-à-dire la distance qui sépare la surface anodique d'une électrode bipolaire et la surface cathodique de l'électrode bipolaire la plus proche) est de 7 cm. La densité moyenne de courant aux électrodes est de 0,5'ampères par 23961 4 2048055 cm^i La température du bain est de 950*C environ0 Le bain a la même composition que les bains habituels décomposés par électrolyse dans les fours classiques à anode 5 Soederberg à pré-cuisson, plus exactement un bain alumine/cryolithe contenant les additifs habituels comme par exemple AlP^ ainsi que des composés de Ca et de Mg0 L'efficacité du courant est de 80$ environ. La consommation unitaire de matière anodique est de 42$ 10 environ au lieu de 50$ dans le four classique à anode à pré-cuisscrw La consommation de puissance unitaire est de 13 kilowatt--heures environ par kilogramme d'aluminium produit tandis que dans les fours classiques ayant la même capacité, ce chiffre est quelque peu supérieur à 14 kilowatt-heures. 15 Au cours d'un essai comparatif exécuté à l'aide du même four que celui de la figure 1, dans lequel l'inclinaison des surfaces électrolytiquement actives des électrodes bipolaires et terminales était réduite à 20* par rapport à la verticale, on a observé une efficacité du courant inférieure à 60$. 20 Enfin, le fait très intéressant qu'une fraction des gaz s'élève jusqu'à la surface du bain également le long des côtés des électrodes sub-horizontales a amélioré considérablement la manoeu-vrabilité (manutention, contrôle et renouvellement) des électrodes qui ne sont plus bloquées sur les côtés par des incrustations de 25 bain solidifié. Le four perfectionné selon la présente invention peut comprendre, et on envisage d'y inclure, une quelconque ou plusieurs des caractéristiques des fours multicellulaires connus utilisés pour 11électrolyse de l'alumine tels qu'il sônt décrits dans les 30 documents suivants : - les brevets américains n,s 3 029 194, 2 938 843, 2 952 592, 2 991 240, 2 959 533, 2 959 528, '2 959 527/ 2 952 605, "3 063 930, 3 133 008 , ' ' " ' . - les demandes de brevet américain aux noms de MONTECATINI EDISON 35 S.p.A, et de VARDA, n* 7°6 381 déposée le 31 décembre 1957* n* 651 448 déposée le 6'juillet 1967, 622 998 déposée le 6 juillet 1967, n* 701 485 déposée le 29 janvier*1968, n* 829 342 déposée le 2 juin 1969, n* 809 852 déposée le 24 mars 1969, n' 859 "790 déposée le 22 septembre 1969 , * ' 40 - la demande -de brevet italien déposée aux noms de MONTECATINI EDISON S.p.A. et de VARDA n" 18 962 A/69 déposée le 30 juin 1969» 70 23961 5 2048055 REiFEHBICATIOMS 1 - Four multicellulaire pour la production d'aluminium par électrolyse, comprenant une structure ayant un fond et des parois réfraetaires aptes à contenir un bain en fusion de 5 fluorures et d1alumine, une pluralité d!électrodes transversales suspendues à l'intérieur de cette structure et dans le bain, ces électrodes comprenant une cathode terminale à surface cathodique active électrolytiquement.,. une anode terminale à surface anodi-que active électrolytiquement et au moins une électrode bipo-10 laire à surfaces cathodique et anodique actives électrolytiquement, cette électrode bipolaire étant disposée entre les anode et cathode terminales, caractérisé en ce que toutes les surfaces actives électrolytiquement ont une Inclinaison sub-horizontale„ 2 - Four selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que les surfaces actives.,électrolytiquement sont inclinées de 50 à 70° par rapport à la verticale^ _ : 3 - Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que.les surfaces actives électrolytiquement sont inclinées de 60° environ par rapport à la verticale» 20. " ' - 4 - Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond est du type à gradins, ces derniers descendant en direction d'au moins une poche de rassemblement de l'aluminium.