Brevet FR2105172A1 — publié le 19720428

La présente invention concerne une cuve pour 11électrolyse de l'oxyde d'aluminium en bain fondu (électrolyse ignée), et plus particulièrement son système de connexion électrique avec les autres cuves d'une même série. 5 Pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium (A^0^' alumine), ce dernier est dissous dans un bain de fluorures. L'électrolyse a lieu dans un domaine de température compris entre 940 et 975°C environ. L'aluminium qui se sépare à la cathode se rassemble sur le fond de la cuve, sous le bain de fluorures. Dans ce bain plongent, du haut, des anodes, en 10 carbone amorphe. Sur ces anodes se dégage, du fait de la décomposition par électrolyse de l'oxyde d'aluminium, de l'oxygène qui réagit avec le carbone des anodes pour former du CO et du CO^. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre en se référant aux dessins 15 annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une cuve pour la fabrication de l'aluminium par procédé électrolytique en bain fondu; - la figure 2 représente schématiquement une section transver-20 sale de la même cuve; - les figures 3 et 4 correspondent respectivement aux figures 1 et 2 à la différence près que les barres cathodiques sont ici partiellement isolées; - la figure 5 représente schématiquement les connexions des 25 collecteurs électriques entre une série de cuves; - la figure 6 représente un circuit analogique des résistances d'une cuve d'électrolyse, allant de l'aluminium liquide d'une cuve jusqu'au milieu de la barre-support d'anode de la cuve suivante. Le principe d'une cuve pour 1'électrolyse de l'oxyde d'aluminium 30 ressort de la figure 1 qui représente de façon schématique et sans respecter l'échelle des dimensions, une coupe longitudinale d'une telle cuve. Le bain fluoré 10 (électrolyte) se trouve dans une cuve constituée d'un caisson en acier 12, garni intérieurement (creuset) d'un revêtement en carbone et pourvu d'une isolation thermique 13 en un matériau réfractaire. L'aluminium 14 déposé 35 à la cathode est rassemblé sur le fond 15 de la cuve. La surface 16 de l'aluminium liquide constitue la cathode. Dans le revêtement en carbone 11 sont logées les barres cathodiques 17, en fer, au travers desquelles passe le courant. 71 31631 2 2105172 Dans le bain fluoré 10 plongent du haut des anodes 18 en carbone amorphe qui assurent le transport du courant continu à l'électrolyte. Elles sont fixées, par l'intermédiaire des tiges conductrices de courant 19 et les agrafes de serrage 20, au collecteur-support d'anodes 21. L'électrolyte 10 est recouvert 5 d'une croûte (talus) 22, constituée par de l'électrolyte solidifié, sur laquelle repose une couche d'alumine 23. La distance "d" entre la face 24 inférieure (semelle) de l'anode et la surface 16 de l'aluminium, appelée aussi distance interpolaire, peut être modifiée par élévation ou abaissement du collecteur-support d'anodes 21, à l'aide des vérins 25, montés sur les colonnes 26. Par 10 suite de l'attaque qu'elles subissent de la part de l'oxygène mis en liberté par 1'électrolyse, les anodes se consument en leur partie inférieure d'environ 1,5 à 2 cm chaque jour, suivant le type de cuve. La figure 2 représente de façon schématique et non conforme à l'échelle la section transversale d'une cuve d'électrolyse suivant la demande 15 de brevet français n° 71 15 441 du 29.4.1971. Les barres cathodiques 17 remplissent ici une double fonction. Elles "collectent" le courant de la "zone active" 27 du fond du creuset en matériau carboné, au-dessous des anodes 18 et le "sortent" de la cuve; elles fonctionnent donc, hors de la zone active du fond du creuset, comme simple 20 conducteur de courant. Dans ce rôle, elles sont désignées par 28, tandis que 29 désigne la partie où elles fonctionnent comme collecteurs. En ce qui concerne cette partie, l'intensité du courant augmente dans les barres cathodiques à partir du centre vers l'extérieur, des deux côtés. A partir de chaque cuve, les collecteurs cathodiques 30 assurent la liaison électrique entre l'extrémité des 25 barres cathodiques 17 et le collecteur-support d'anodes 21 de la cuve suivante constitué ici par deux barres-support. Pour réduire les pertes thermiques, dans le cas en- question, la section des barres cathodiques en fer est restreinte en dehors de la zone active 27 du fond carboné. De ce fait, on diminue le flux thermique évacué du 30 bain fondu vers l'extérieur par les barres. L'électrolyte possède une conductibilité électrique sensiblement plus faible que celle de l'aluminium liquide, qui se trouve sur le fond -3 -4 de la cuve. Le rapport des deux conductibilités est de l'ordre de 10 à 10 à 1. Lorsque, localement la quantité de courant évacuée par le fond carboné 35 ne correspond pas exactement à celle fournie par les anodes à l'électrolyte, il se forme nécessairement dans celui-ci des composantes hoyig.pntales.de courant, dues justement aux différences locales entre alimentation et absorption 71 31631 3 2105172 de courant. Conformément à la loi des tangentes applicable aux flux électriques, la forte différence des conductibilités électriques des deux couches liquides stratifiées fait que la "réfraction" des lignes de courant a lieu au niveau de la surface de contact bain-métal. Cela a comme conséquence que 5 les lignes de courant, dans l'électrolyte, sont orientées en première approximation perpendiculairement; dans le métal, par contre, peuvent se produire de fortes composantes de courant horizontales qui, localement, peuvent avoir des densités plus grandes que celles des composantes verticales. Les différences de densités de courant dans l'électrolyte et dans l'aluminium liquide, combinées 10 à l'induction magnétique, créent des différences de pression entre les deux milieux, qui ne peuvent être compensées que par une déformation (dénivellation) de l'interface bain-métal. Celle-ci peut atteindre plusieurs centimètres de hauteur, car le métal soulevé "flotte" dans le bain et ne possède dès lors qu'une densité apparente qui correspond à la différence des densités du bain 15 (électrolyte) et du métal. En outre, les composantes horizontales du courant, par interaction avec l'induction magnétique, peuvent susciter dans le métal liquide une répartition des forces telle qu'il en résulte un moment de rotation. La conséquence de cela est la formation d'un courant de métal jointe à une forte déformation de l'interface bain-métal, provoquée à son tour par les 20 composantes de courant induit par ce mouvement d'un conducteur de courant dans un champ magnétique. La déformation de l'interface bain-métal et le mouvement du métal affectent négativement le rendement du courant (rapport entre l'aluminium effectivement obtenu et celui correspondant théoriquement à la loi de Faraday). Si le rendement de courant diminue, la consommation d'énergie spéci-25 fique (kWh/kgAl) augmente. Ainsi, si dans le métal et dans le bain, il n'existe que des composantes de courant perpendiculaires, il ne peut se produire de déformation de l'interface bain-métal sans qu'il y ait mouvement de métal. Néanmoins, il peut exister un moment de rotation dans le métal, comme le montre l'équation 30 suivante des forces tridimensionnelles : S3Z 4], ij, k = B + B + B j j j Sx S y 7 éz z Sx X «fy y Sz Z 35 Dans cette équation, j^, j et j^ sont les composantes du courant dans la direction des trois axes et B , B et B les composantes cor- x y z respondantes de l'induction magnétique. 71 31631 4 2105172 Si l'on fait en sorte que la quantité de courant sortant par le fond carboné, dans la partie inférieure du métal liquide, corresponde à celle entrant par la partie supérieure du métal, alors les composante? suivantes sont nulles : 5 jx et j et, de ce fait également, les trois dérivées partielles de j^. Seul le dernier membre du moment de rotation doit être éliminé, 10 en faisant en sorte que devienne petit ou nul, car j est toujours êz présent puisqu'il s'agit du courant normal d'électrolyse. Habituellement, les composantes horizontales de courant sont présentes dans les deux directions axiales. La composante transversale, par 15 rapport au grand axe de la cuve, est produite du fait que la surface cathodique est souvent plus grande que la surface anodique à cause d'une trop grande distance entre la surface latérale externe de l'anode et le revêtement carboné latéral de la cuve. Si l'isolation thermique des parois latérales du caisson de la cuve (bords de cuve) n'a pas été correctement calculée, il peut se produire 20 un passage de courant direct entre les anodes et les bords de cuves, ce qui crée également des composantes de courant horizontales. En outre, les barres en fer conductrices de coupant, logées dans le fond carboné, peuvent encore "prendre" du courant en dehors de la "zone active" du fond carboné, si elles ne sont pas suffisamment isolées électriquement, en cette position, par rapport au revêtement 25 carboné latéral du caisson de la cuve. Si les barres cathodiques dans le fond carboné ont été trop faiblement dimensionnées, il se produit en outre un fort déplacement du courant d'électrolyse dans le fond carboné, vers l'extérieur, qui crée à son tour de fortes composantes horizontales du courant. En ce qui concerne les composantes parallèles à l'axe longi-3.0 tudinal de la cuve, on peut invoquer les mêmes raisons. A celles-ci, s'ajoute le fait que, si la section des barres cathodiques qui conduisent le courant d'une cuve à la suivante a été mal calculée, il peut produire dans l'aluminium liquide de fortes composantes horizontales qui, parfois et localement, peuvent même dépasser en intensité les verticales. La demanderesse a visé la réduction aussi poussée que possible des composantes horizontales dans une cuve pour 1'électrolyse de l'oxyde d'aluminium, avec des intensités de courant d'alimentation de 70 kA et davantage. 71 31631 5 2105172 La suite d'études poursuivies pendant plusieurs années, elle a mis au point une cuve qui présente un ensemble de caractéristiques décrites ci-après et, qui, grâce à leur action combinée, ont permis de résoudre avec succès le problème en question. 5 Dans une demande de brevet n° , déposée en même temps que la présente, la demanderesse décrit et revendique la combinaison de quatre caractéristiques concernant plus particulièrement la construction de la cuve. Elle a en effet constaté que les composantes horizontales de 10 courant, transversales par rapport à l'axe longitudinal de la cuve, pouvaient être ramenées à des valeurs tout à fait acceptables, lorsque la distance horizontale entre l'arête inférieure externe des anodes et la surface latérale interne du caisson en acier ne dépasse pas, par exemple, 55 à 60 cm. Si l'on soustrait à cette valeur 20 cm d'épaisseur pour l'isolation thermique et pour 15 le revêtement en matériau carboné, il reste une distance horizontale de 40 cm au maximum entre l'arête inférieure externe des anodes et le bord de la cuve, c'est-à-dire la surface du revêtement latéral en matériau carboné. La distance horizontale la plus courte entre l'arête inférieure la plus externe des anodes et le bord de la cuve est compris entre 25 et 30 cm. Si l'on fait en sorte que 20 la résistance thermique de l'isolant 13, entre le revêtement carboné latéral 3 11 et la paroi latérale de l'enveloppe en acier 12, soit comprise entre 0,5.10 et 1.10^ h.° C/kcal, il se forme,du fait de l'évacuation des calories, une croûte de bain solide, sur les côtés, qui rétrécit la surface cathodique de l'aluminium, qui "collecte" le courant et limite efficacement le courant 25 latéral, vers les bords de cuves. La demanderesse a également constaté que les barres cathodiques en fer devaient être électriquement isolées à l'intérieur du caisson de la cuve sauf naturellement dans la partie correspondant à la "zone active" du fond carboné. 30 Le déplacement des lignes de courant vers l'extérieur ne peut toutefois pas être éliminé complètement, car le fond des cuves (carbone et barres cathodiques) possède une conductibilité électrique sensiblement inférieure à celle de l'aluminium liquide se trouvant au-dessus. Il s'est ainsi révélé qu'il était en outre nécessaire de placer dans la "zone active" 27 du 35 fond de la cuve des barres cathodiques ayant la section 29 la plus grande possible» compatible avec la résistance mécanique du fond de la cuve. Pour la conduite du courant dans le fond vers l'extérieur, le rapport des sections 7i 31631 6 2105172 fer/carbone doit être au moins de 17:100 et au plus de 20:100. Si les sections en fer sont inférieures à cette valeur, des composantes horizontales de courant, ayant des intensités inadmissibles, se produisent dans 1 'al'-*™inium liquide. Si, par contre, des sections en fer 29, logées dans le fond, dépassent 5 la valeur de 20%, on constate un affaiblissement mécanique du revêtement carboné dû principalement au fait que le fer a un coefficient de dilatation thermique plus élevé que celui du carbone. La figure 3 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une cuve pour la fabrication de l'aluminium, semblable à la figure 1, et la 10 figure 4 une section transversale semblable à la figure 2. Les figures 3 et 4 se différencient respectivement des figures 1 et 2 uniquement par le fait que, dans le premier cas, les barres cathodiques 17 sont complètement entourées d'un isolant électrique à l'intérieur du caisson de la cuve sauf dans la partie correspondant à la "zone active" 27 du fond carboné. 15 La présente invention vise elle aussi la réduction des compo santes horizontales de courant dans une cuve pour électrolyse, mais concerne plus particulièrement son système de connexion électrique avec les autres cuves d'une même série. Elle vise en particulier à obtenir des intensités de courant autant que possible uniformes dans les barres cathodiques, placées dans le fond 20 carboné de la cuve. La figure 5 contribuera à mieux faire comprendre l'invention. Elle représente schématiquement, à titre d'exemple, les connexions électriques externes des cuves d'électrolyse A, B, C. Chaque cuve comprend, sur chacun de ses longs côtés, trois groupes D, E, F de barres cathodiques en fer. Chacun de 25 ces groupes (dans l'exemple illustré) comprend trois barres cathodiques G, H, I et une barre collectrice K. Dans cet exemple, l'alimentation en courant électrique du conducteur-support d'anodes 21 se fait selon une répartition 2/3:1/3, de gauche à droite. La direction du courant électrique dans la série des cuves est indiquée par la flèche L. 30 Une série complète de cuves peut se composer de quelques unités ou comprendre jusqu'à 100 unités et même davantage. Le nombre des barres cathodiques de fer, par cuve, dépend de la géométrie de la cuve, de l'intensité du courant et de différents autres facteurs. Une cuve de 100 kA peut, par exemple, avoir entre dix et vingt barres cathodiques; cela revient à dire que, sur chacun 35 des longs côtés de la cuve se trouvent de dix à vingt extrémités de barres cathodiques. Souyent, ces barres cathodiques en fer ne traversent pas d'une-pièce le fond de cuve, mais sont coupées dans la zone médiane du fond; les 71 31631 2105172 deux moitiés sont disposées dans le même axe mais ne sont pas en contact l'une de l'autre. En ce qui concerne les collecteurs cathodiques 30 (figura 4), leur nombre peut varier; cela peut aller de un pour chaque barre cathodique 17 5 jusqu'à un pour l'ensemble des barres cathodiques. Le conducteur support d'anodes peut être formé de une ou plusieurs barres. Sur les figures 2 et 4, il est formé de deux barres-supports anodiques. Dans la direction de l'axe longitudinal de la cuve, il n'y a 10 pas de conducteurs de courant en fer la traversant de part en part. Néanmoins, il peut se produire des composantes horizontales de forte intensité dans l'aluminium liquide selon cet axe, si l'on ne prend pas garde, en donnant les dimensions appropriées aux collecteurs cathodiques qui amènent le courant aux anodes de la cuve suivante, à ce que chaque barre cathodique du fond de la cuve 15 "absorbe" autant que possible la même quantité de courant. Ceci peut être réalisé à l'aide d'un circuit illustré sur la figure 6. La figure 6 représente un circuit analogique des résistances d'une cuve pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse, calculées à partir de l'aluminium liquide jusqu'au milieu M de la barre-support d'anodes de la 20 cuve suivante. Rg est la résistance proportionnelle d'un élément de fond correspondant à une barre cathodique en fer, calculée à partir de l'aluminium liquide jusqu'à l'extrémité de la barre cathodique. Un premier collecteur cathodique recueille le courant aux extrémités de n^ barres cathodiques; jusqu'au début de la barre-support d'anodes 25 de la cuve suivante, la résistance de ce collecteur est représentée par R^. De façon analogue, un deuxième collecteur cathodique, avec résistance propre R£9 recueille le courant aux extrémités de n2 barres cathodiques, un troisième collecteur cathodique, avec résistance propre R^j le courant aux extrémités de n^ barres cathodiques, et ainsi de suite. R^, est la résistance du collec-30 teur-support d'anodes de la cuve suivante, calculée jusqu'à la moitié M dudit collecteur-support et pour la moitié de sa section. I est la demi-intensité de courant de la cuve . Il n'y a pas de formation de composantes horizontales de courant dans l'aluminium liquide, selon l'axe longitudinal de la cuve, si la 35 chute de tension dans chaque collecteur cathodique, à partir de la dernière émission de courant par la dernière barre cathodique (points A, B, C, etc.) jusqu'à la moitié M du collecteur-support d'anodes de la cuve suivante, est 71 31631 ' 2,05,72 la même. Dans ce cas, le premier collecteur cathodique est parcouru par le courant n,I , le deuxième collecteur par le courant ni le troisième collec-1 B Z B teur par le courant ni et ainsi de suite. ■j B Le calcul doit se faire comme si le courant I était prélevé 5 du collecteur-support d'anodes de la cuve suivante non pas de façon progressive mais de façon ponctuelle, exactement au milieu de la cuve (point M) . Cette égalité de potentiel est obtenue en variant les résistances R^, R^j R^j etc., et R^ suivant des règles bien connues de 1'électrotechnique, jusqu'à obtenir des rapports qui permettent de réaliser la condition d'équipotentialité men-10 tionnée ci-dessus. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 71 31531 2105172 REVENDICATION Cuve pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium en bain fondu, caractérisé en ce que la section des collecteurs cathodiques est calculée de façon que la chute de potentiel dans chaque collecteur cathodique, mesurée à partir du point de connexion de la 5 dernière barre cathodique connectée audit collecteur (points A, B, C, etc.) et jusqu'au milieu (M) du collecteur-support d'anodes de la cuve suivante, soit la même, compte tenu du fait que chaque collecteur cathodique est parcouru par un courant dont l'intensité est obtenue en multipliant le nombre des barres cathodiques connectées audit collecteur par l'intensité du courant 10 qui parcourt chacune desdites barres, et qui est la même pour toutes, et que le calcul est basé sur un prélèvement ponctuel de tout le courant de la cuve suivante, au milieu (H) du collecteur-support d'anodes et non pas progressif le long dudit collecteur.