Brevet FR2105173A1 — publié le 19720428

i 2105173 La présente invention concerne une cuve pour 1'électrolyse de l'oxyde d'aluminium en bain fondu (électrolyse ignée). Pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium (A^O^, alumine), ce dernier est dissous dans un bain de 5 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 sut le fond de la cuve, sous le bain de fluorures. Dans ce bain plongent, du haut, des anodes, en carbone amorphe. Sur ces anodes se dégage, du fait de la décomposition par électrolyse de l'oxyde d'aluminium, de l'oxygène qui 10 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 annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitu-15 finale d'une cuve pour la fabrication de l'aluminium par procédé électrolytique en bain fondu; - la figure 2, représente schématiquement une section transversale de la même cuve; - les figures 3 et 4 correspondent respectivement aux 20 figures 1 et 2 à la différence près que les barres cathodiques sont ici partiellement isolées; - la figure 5 représente schématiquement les connexions des collecteurs électriques entre une série de cuves; et - la figure 6 représente un circuit analogique des résistances 25 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 l'électrolyse de l'oxyde d'aluminium ressort de la figure 1 qui représente de façon schématique et sans respecter l'échelle des dimensions, une coupe longitudinale d'une telle cuve. 30 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 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 35 sont logées les barres cathodiques 17, en fer, au travers desquelles passe le courant. Dans le bain fluoré 10 plongent du haut des anodes 18 en carbone amorphe qui assurent le transport du courant continu à 1'électrolyte. Elles sont fixées, par l'intermédiaire des tiges conductrices de courant 19 et les agraphes de serrage 20, au collecteur-support d'anodes 21. L'électrolyte 10 40 est recouvert d'une croûte (talus) 22, constituée par de 1'électrolyte solidifié, sur laquelle repose une couche d'alumine 23. La distance "d" entre la 71 31532 2 2105173 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 suite de l'attaque qu'elles subissent de 5 la part de l'oxygène mis en liberté par 11 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 10 demande de brevet français N° 71.15.441 du 29.4.71. Les barres cathodiques 17 remplissent ici une double fonction. Elles 'fcollectent" 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 15 simple 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 20 électrique entre l'extrémité des barres cathodiques 17 et le collecteur- support d'anodes 21 de la cuve suivants 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 de fond carboné. De ce fait, on diminue le flux thermique évacué 25 du 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 de -3 -4 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 30 ne correspond pas exactement à celle fournie par les anodes à 1'électrolyte, il se forme nécessairement dans celui-ci des composantes horizontales de courant, dues justement aux différences locales entre alimentation et absorption de courant. Conformément à la loi des tangentes applicable aux flux électriques, la forte différence des conductibilités électriques des 35 deux couches liquides stratifiées fait que la "réfraction" des lignes de courant ait lieu au niveau de la surface de contact baih/.métal. ' Cela a comme conséquence que 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, 71 31632 s 2105173 localement, peuvent avoir des densités plus grandes que celles des composantes verticales. Les différences de densités de courant dans 11électrolyte et dans l'aluminium liquide, combinées à l'induction magnétique, créent des différences de pression entre les deux milieux, qui 5 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 (électrolyte) et du métal. En outre, les composantes 10 horizontales du courant, par interaction avec 1'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 es.t la formation d\m courant de métal jointe à une forte déformation de l'interface bain-métal, provoquée à son tour par les composantes de courant induit 15 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 spécifique 20 (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'équa-25 tion suivante des forces tridimensionnelles: t r. **' ■ ■ k = B + B + B - j - j j éx x 67 y 2 «x X ây y bz z 30 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 correspondantes de l'induction magnétique. Si l'on fait en sorte que la quantité de courant sortant par le fond carboné, dans la partie inférieur du métal liquide, corresponde à celle 35 entrant par la partie supérieure du métal, alors les composantes suivantes sont nulles : j et j et, de ce fait, également les trois dérivées partielles de j^. 71 31632 4 2105173 Seul le dernier membre du moment de rotation doit être éliminé, *Bz en faisant en sorte que devienne petit ou nul, car j est toujours 5z z présent puisqu'il s'agit du courant normal d'électrolyse. Habituellement, les composantes horizontales de courant sont 5 présentes dans les deux directions axiales. La composante transversale, par 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 10 latérales du caisson de la cuve (bords de cuve) n'a pas été correctement calculée, il peut se produire 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 courant, logées dans le fond carboné, peuvent encore "prendre" du courant en dehors de la 15 "zone active" du fond carbnné, si elles ne sont pas suffisamment isolées i électriquement, en cette position, par rapport au revêtement 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 20 crée à son tour de fortes composantes horizontales de courant. En ce qui concerne les composantes parallèles à l'axe longitudinal de la cuve, on peut invoquer les mêmes raisons. .A celle-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 25 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 densités de courant d'alimentation de 70 kA et davantage. 30 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 conbinée, ont permis de résoudre avec succès le problème en question. Elle a ainsi constaté que les composantes horizontales de 35 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 laté-raie interne du caissQj^ 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 71 31632 5 2105173 et pour 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 5 la plus externe des anodes et le bord de la cuve est comprise entre 25 et 30 cm. Si l'on fait en sorte que la résistance thermique de l'isolant 13, entre le revêtement carboné latéral 11 et la paroi latérale de l'enveloppe 3 3 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 10 c8tés, qui rétrécit la surface cathodique de l'aluminium, qui "collecte" le courant, et limite efficacement le flux de courant latéral, vers les bords de cuves. Il est en soi déjà connu, de recouvrir les barres cathodiques en fer, d'un isolant électrique, en dehors de la "zone active" du fond carboné, 15 à l'intérieur du caisson de la cuve, pour empêcher toute entrée de courant à ce niveau. La demanderesse a reconnu qu'il fallait adopter obligatoirement cette mesure lorsqu'il s'agit de réduire la formation de composantes horizontales de courant. ■ Le déplacement des lignes de courant vers lfextérieur ne peut 20 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 révélé qu'il était nécessaire de placer dans le "zone active" 27 du fond de la cuve des barres cathodiques ayant la section 29 la plus grande possible, 25 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 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 l'aluminium liquide. 30 Si, par contre, des sections en fer 29, logées dans le fond, dépassent la valeur de 20%, on constate un affaiblissement mécanique du revêtement carboné, dû principalement au fait qie le fer a un coefficient de dilatation thermique plus élevé que celui du carbone. L'invention concerne donc une cuve pour la fabrication de l'alu-35 minium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium dans un bain fondu, cuve dans laquelle les composantes horizontales du courant sont très sensiblement réduites. 71 31632 6 2105173 La cuve suivant l'invention est caractérisée en ce que la distance horizontale entre l'arête inférieure externe des anodes 18 et la surface interne du revêtement carboné latéral 11 ne dépasse pas 40 cm, en ce que la résistance thermique de l'isolation 13, intercalée entre le revêtement 5 carboné 11 et la paroi latérale du caisson en acier 12, est comprise entre 3 3 0,5.10 et 1.10 h°C/keal, en ce que les barres cathodiques 17, à l'intérieur du caisson de la cuve mais en dehors de la "zone active" 27 du fond, sont complètement entourées, comme cela est en soi connu, d'un matériau électriquement isolant et en ce que les sections des barres en fer dans le fond de 10 la cuve et la section du matériau carboné correspondant sont dans un rapport d'au moins 17:100 et d'au plus 20:100. La figure 3 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une cuve pour la fabrication de l'aluminium, semblable à la figure 1, et la figure 4 une section transversale semblable à la figure 2. Les figures 3 15 et 4 se différencient respectivement des figures 1 et 2 uniquement par le fait que, dans le premiër 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. La figure 5 contribuera à mieux faire comprendre l'invention. 20 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 ces groupes (dans l'exemple illustré) comprend trois barres cathodiques, G, H, I et une barre collectrice K. Dans cet exemple, l'ali-25 mentation 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. Une série complète de cuves peut se composer de quelques unités ou comprendre jusqu'à 10 unités et même davantage. Le nombre des barres 30 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 des longs côtés de la cuve se trouvent de dix à vingt extrémités de barres cathodiques. Souvent ces barres cathodiques en fer 35 ne traversent pas d'une pièce le fond de cuve, mais sont coupées dans la zone médiane du fond; les deux moitiés sont disposées dans le même axe mais ne sont pas en contact l'une de l'autre. " 71 31532 7 2105173 En ce qui concerne les collecteurs cathodiques 30, (figure 4), leur nombre peut varier : on peut en avoir un pour chaque barre cathodique 17 jusqu'à un pour toutes les barres cathodiques. Le conducteur support d'anodes peut être formé d'une ou plusieurs 5 barres. Sur les figures 2 et 4, il est formé de deux barres-supports ano-diques. Dans la direction de l'axe longitudinal de la cuve, il n'y a 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 10 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 "absorbe" autant que possible la même quantité de courant. Ceci peut être réalisé à l'aide d'un circuit illustré sur la figure 6. 15 La figure 6 représente un circuit analogique des résistances d'une cuve pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse, calculée à partir de l'aluminium liquide jusqu'au milieu M de la barre-support d'anodes de la cuve suivante. R est la résistance proportionnelle d'un élément de fond correspondant à une barre cathodique en fer, calculée à partir de 20 l'aluminium liquide jusqu'à l'extrémité de la barre cathodique. Suivant une autre caractéristique de l'invention, chaque barre cathodique doit donc être parcourue par la même intensité de courant 1^. Un premier collecteur cathodique recueille le courant aux extrémités de n^ barres cathodiques; jusqu'au début de la barre-support 25 d'anodes de la cuve suivante, la résistance de ce collecteur est représentée par R^. De façon analogue, un deuxième collecteur cathodique, avec résisr tance propre R^, recueille le courant aux extrémités da n^, barres cathodiques, un troisième collecteur cathodique, avec résistance propre R^, le courant aux extrémités de n3 barres cathodiques, et ainsi de suite. R^ 30 est la résistance du collecteur-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'a a pas de formation de composantes horizontales de courant dans l'aluminium liquide, selon l'axe longitudinal de la cuve, si la chute 35 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 la même. Dans ce cas, le premier collecteur cathodique est parcouru par 71 31632 0 2105173 le courant deuxième collecteur par le courant le troisième collecteur par le courant n^Ig et ainsi de suite. Le calcul doit se faire comme si Le courant 1 était prélevé du collecteur-support d'anodes de la cuve suivante non pas de façon progrès» 5 sive mais de façon ponctuelle, exactement au milieu de la cuve (point M). Cette égalité de potentiel est obtenue en variant les résistances R., R„, R, J. £ J etc, et R^, suivant des règles bien connues de 1'électrotechnique, jusqu'à obtenir des rapports qui permettent de réaliser la condition d'équipotentia-lité mentionnée ci-dessus. 10 Suivant cette caractéristique complémentaire de l'invention, la cuve se caractérise en outre en ce que la section de chaque collecteur cathodique 30 (figure 4) est dimensionnée de façon que la chute de potentiel dans chaque collecteur 30, calculée à partir du point où a lieu la dernière entrée de courant par la dernière barre cathodique 17 reliée à lui (points 15 A,B,C, etc.) jusqu'à la moitié de la barre-support d'anodes 21 de la cuve suivante, soit la même, en tenant compte du fait que chaque collecteur cathodique 30 est parcouru par un courant dont la valeur est obtenue en multipliant le nombre des barres cathodiques reliées audit collecteur par l'intensité constante de courant 1^ qui circule dans chaque barre cathodique et que l'on 20 admet, pour le calcul, que la prise de courant dans la cuve suivante n'a pas lieu de façon continue et progressive sur le collecteur-support d'anode 21 mais totalement à partir d'un point situé au milieu M dudit collecteur-support d'anodes. Bien entendu diverses modifications peuvent être apportées par 25 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 31632 9 2105173 REVENDICATIONS 1 - Cuve pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium en bain fondu, caractérisée en ce que la distance horizontale entre l'arête inférieure externe des anodes et la surface du revêtement carboné de la paroi latérale de la cuve ne dépasse pas 40 cm; en ce que la résistance thermique de l'isolation intercalée entre le revêtement 3 carboné et la paroi latérale du caisson en acier est comprise entre 0,5 . 10 3 et 1.10 h°C/kcal; en ce que les barres cathodiques, à l'intérieur de caisson de la cuve mais en dehors de la zone active du fond, sont entièrement entourées, comme cela est en soi connu, d'un matériau électriquement isolant et en ce que dans la zone active du fond de rapport des sections des barres de fer et du matériau carboné soit d'au moins 17:100 et d'au plus 20:100, du fond. 2 - Cuve selon la revendication 1, caractérisée 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 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 qui parcourt chacune desdites barres et qui est la même pour toutes et que le calcul est basé sur un prélèvement ponctuel, au milieu (M) du collecteur-support d'anodes et non pas progressif le long dudit collecteur, de tout le courant de la cuve suivante.