Brevet FR2088263A1 — publié le 19720107

La présente invention a comme objet une cuve-pour., la préparation de l'aluminium par procédé électrolytique et, plus particulièrement, la conception des barres cathodiques en fer de ladite cuve. Pour la production de l'aluminium par électrolyse ignée de l'oxyde d'alu-5 minium (A^O^, alumine), celui-ci est dissous dans un bain fluoré. L'électrolyse est effectuée dans un dojnaine de température approximativement compris entre 940 et 975 °C.L'.aluminium qui' se-dépose à la cathode se rassemble sous le bain fluoré, sur lé fond du creuset de la cuve. Dans le bain fondu, plongent d'en haut des anodes en carbone amorphe. Sur ces anodes se dégage l'oxygène 10 produit par la décomposition électrolytique de l'oxyde d'aluminium, mais qui réagit de suite avec le carbone des anodes pour former du CO et du Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui va suivre en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: 15 - la figure 1 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une cuve pour la préparation de l'aluminium par procédé électrolytique; - la figure 2 représente schématiquement la section transversale d'une même cuve. Le principe d'une' cuve pour préparation de l'aluminium par procédé 20 électrolytique ressort de la figure 1. Le bain fluoré 10 (électrolyte) se trouve à l'intérieur (creuset) d'une cuve à enveloppe 12 en acier, garnie d'un revêtement 11 en carbone et pourvue d'une isolation thermique 13 en un matériau réfractaire. L'aluminium 14, séparé à la 'cathode se dépose sur le fond 15 de la cuve. La surface 16 de l'aluminium liquide constitue la cathode. Dans 25 le revêtement 11 en carbone sont logées les fcarres' 17 cathodiques en fer, qui servent au transport du courant. Dans le bain fluoré 10 plongent d'en haut les anodes 18, en carbone amorphe, qui assurent l'amenée du courant continu à 1'électrolyte. Elles sont fixées à la barre-support d'anodes 21, par l'intermédiaire des tiges d'anodes 19 et des agrafes de serrage 20. L'électro-30 lyte 10 est recouvert d'une croûte 22, constituée essentiellement .par de l'ëlectrolyte solidifié, sur laquelle repose une couche 23 d'alumine. La , distance d entre la surface inférieure (semelle) 24 de l'anode et la surface 16 de l'aluminium liquide, appelée aussi distance interpolaire, peut être modifiée par élévation ou abaissement de la barre-support d'anodes 21, au moyen 35 des vérins 25, montés sur les colonnes 26. Par suite de l'attaque de la part de l'oxygène libéré en cours d'électrolyse, les anodes se consument en leur partie inférieure d'environ 1,5 à 2 cm par jour, suivant le type de cuve. 71 15441 2088263 Les barres cathodiques en fer, dans la masse de carbone, sont de bons conducteurs de la chaleur» Elles évacuent donc des quantités de chaleur, de l'intérieur.de la cuve vers l'extérieur; ce flux thermique constitue une perte qui doit être compensée par l'apport drénergie électrique,, De 5 plus, il se.forme dans les barres cathodiques de la chaieur p«r eifet Joule. Cette chaleur-ci réduit une partie du f lcx thermique qui, sans son apparition, s'écoulerait au travers désdltee barres vers i*rAtéri~ur, La figure 2 montre schématiquement une section transversale d'une cuve d'électrolyse. Les barres cathodiques 17 ont deux rôles à remplir. 10 Elles "collectent" le courant de la "partie 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 partie active du fond du creuset, comme simple conducteur de courant. Dans ce rôle, elles sont désignées par 28, tandis que dans la. portion où elles fonctionnent comme collecteurs, elles 15 sont désignées par 29. Dans cette dernière portion, l'intensité du courant augmente dans les barres cathodiques à partir du centre vers 1'extérieur. Il faut faire en sorte que, dans la portion correspondant à la partie active du fond du creuset soient incorporées des barres cathodiques à grande section, afin d'augmenter la-surface de contact, barre de fer/fond en carbone, 20 et diminuer ainsi la résistance de contact. Dans la pratique, on utilise des barres cathodiques ayant le même diamètre aussi bien dans la portion correspondant à la partie active du creuset que dans celle extérieure à cette partie. De ce fait, on se trouve dans une condition défavorable en ce qui concerne les pertes thermiques dues 25 aux barres; une quantité de chaleur considérable est ainsi continuellement transférée de l'intérieur de la cuve vers l'extérieur. L'invention concerne justement la diminution de ce£:pertes thermiques, diminution obtenue par une réduction de la section des barres cathodiques en fer, dans la partie non active du fond du creuset en carbone. Grâce à 30 cette mesure, le flux thermique s'écoulant du bain fondu vers l'extérieur, diminue. Mais, d'autre part, la production de chaleur par-effet Joule augmente dans la portion des barres cathodiques à section réduite, car ici la densité de courant augmente par rapport à celle de la portion correspondant 35 à la partie active du fond du creuset. L'augmentation de production de chaleur par effet Joule pose des limites à la réduction de la section dés barres cathodiques car, à partir 71 1544Î ,2088263 d'un certain point, le supplément de chaleur par effet .Joule, dû à la réduction de section des barres, dépasse la diminution des pettes thermiques réalisées. Ce point-limite peut être déterminé le plus simplement par des essais pratiques sur la cuve même d'électrolyse, utilisée pour la production de l'aluminium. Parmi les considérations économiques, il faut aussi tenir compte de l'économie de matière réalisée sur les barres cathodiques. Un perfectionnement ultérieur de l'invention a comme objet l'optimalisation de la réduction de section des barres cathodiques, dans la portion située hors de la partie active du fond du creuset, sans tenir compte de l'économie de matière réalisée (celle-ci ne' joue d'ailleurs qu'un rôle secondaire comparé à l'économie d'énergie). Cette réduction optimale de section (exprimée par le rapport des sections respectives de la portion située hors de la partie active du fond du creuset et de celle située dans cette partie active) est calculée selon la formule suivante : V =\f 1 ' ^ ' 0,86 ■ L (1~al , io2 (%} V \(T, -T.) . A 2 12 o V Rapport entre la section de la portion de barre cathodique hors de la partie active du fond du creuset et la section de la portion de barre cathodique dans la partie active dudit fond (en %) I Intensité de courant dans les barres cathodiques (A) p Résistivitê électrique spécifique des barres cathodiques, pour une température qui correspond à 1/2 (T-^ + T^) (XL m) L Longueur de la portion des barres cathodiques hors de la partie active du fond du creuset (m) a Fraction de chaleur due à l'effet Joule dans les barres cathodiques qui ne s'écoule pas à l'extérieur. \ Conductibilité thermique spécifique des barres cathodiques, pour une température qui correspond à 1/2 (T^ + T^) (kcal/m.h.°C) Température des barres cathodiques à la limite de la partie active du fond du creuset (°C) Température des barres cathodiques à leurs extrémités (°C) Aq Section de la portion des barres cathodiques situées dans la partie active du fond du creuset (m2) La section de la portion externe peut varier de 10% en plus ou en moins, par rapport à la valeur optimale calculée. 71 15441 2088263 EXEMPLE Cuve d'électrolyse de 100 kA, pourvue de 19 barres cathodiques en fer (38 extrémités hors de la cuve) I Intensité de courant à chaque extrémité de 5 barres cathodiques 2630 A P Résistivitë électrique spécifique 0.4 ,10 iim L Longueur 0,6 m oc valeur habituelle 0,2 le 3 1 /L Conductibilité thermique spécifique ^'mirC Température des barres cathodiques à la limite de la partie active du fond du creuset 70ûcC T^ Température des barres cathodiques 200eC Aq Section de la portion de barre cathodique située dans la partie active du fond du creuset 11.0. 10 ^ 15 En appliquant la formule on obtient V = 50 % Le domaine des valeurs acceptables, pour V, dans ce cas, s'étend entre 45 et 55%. Une cuve d'électrolyse,. ayant les dimensions données, perd à 20 travers les 19 barres cathodiques en fer une quantité de chaleur comprise entre 400.000 et 500.000 kcal par 24 heures, si elle n'est pas équipée de barres à section réduite, dans le sens de l'invention. Par contre, avec des barres à section réduite dans la mesure proposée, on peut économiser entre 250.000 et 300.000 kcal par 24 heures, ce qui correspond 25 à une réduction de consommation d'énergie spécifique pouvant aller jusqu'à 0,5 kWh/kg de Al. A ce qui précède, il faut encore ajouter que, du fait de la diminution de l'évacuation de chaleur de la cathode, le gradient thermique dans le fond de la cuve est réduit, cela se répercute de façon favorable sur la 30 durée du revêtement en carbone de la cuve. On réalise, en outre, une économie de matériau et une réduction de poids qui peuvent atteindre une tonne, et même davantage, par cuve. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme 4 l'art à la cuve qui vient d'être décrite uniquement à titre 35 d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 71 15441 5 2088263 R_EV_E_N_D_IC_A_T_IOH^S 1.Cuve pour la production de l'aluminium par. procédé électrolytique avec barres cathodiques en fer incorporées dans le revêtement en carbone du 5 fond du creuset, caractérisée en ce que l'on réduit l'a section de la portion de barre hors de la partie active du fond du creuset. 2. Cuve selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section réduite est calculée selon la formule suivante ,:r ■ V = V I2 • P • 0,86 . L2 (1 - g) 1q2 (%) V X CTX - T' ) . Ao2 15 et que les valeurs adoptées peuvent varier dans un domaine de plus oumoins 10% • par rapport à cette valeur-calculée. -