Brevet FR2116478A1 — publié le 19720713

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse, en bain fluoré, de l'oxyde d'aluminium; elle concerne plus particulièrement, un procédé pour la conduite des cuves alimentées par une intensité de courant d'électrolyse d'au moins 50 kA, 5 Pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse de l'oxyde d'aluminium (A^O^, alumine), ce dernier est dissous dans un bain de fluorures. L'électrolyse est effectuée dans un domaine de températures compris entre 940: et 975*C. Dans le bain plongent, du haut, des anodes en carbone amorphe. L'aluminium, qui se sépare à la cathode, se rassemble sur le fond de la cuve, sous le 10 bain de fluorures. Aux 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 . 2 Le principe d'une cuve à anodes précuites pour l'électrolyse de l'oxyde d'aluminium ressort de la figure 1 qui représente de façon schématique une 15 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 11 et pourvu d'une isolation thermique 13 en un matériau réfractaire. L'aluminium 14 déposé à la cathode se rassemble sur le fond 15 de la cuve. La surface 16 de l'aluminium liquide constitue la cathode. 20 Dans le revêtement en carbone 11 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 l'amenée du courant continu à 1'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. 25 L'électrolyte 10 est recouvert d'une croûte 22, constituée par de 1'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, au moyen des vérins 25 montés sur les 30 colonnes 26. Par suite de l'attaque qu'elles subissent de la part de l'oxygène mise en liberté par l'électrolyse, les anodes se consument: en leur partie inférieure d'environ 1,5 à 2 mm chaque jour, suivant le type de cuve. La densité du courant anodique d'une cuve d'électrolyse ne peut pas être choisie de façon arbitraire. 35 Entre les anodes et la cathode, la distance interpolaire ne doit pas être inférieure à 4 cm car, autrement, des courts-circuits peuvent s'établir entre le métal et les anodes du fait de l'action des forces électromagnétiques. En outre le rendement de courant (c'est-à-dire le rapport entre la quantité d'aluminium 71 43160 2 2116478 effectivement produite et la quantité théorique correspondant à la loi de Faraday) diminue lorsque la distance interpolaire est trop faible. Par ccfVitre, si la distance interpolaire est trop grande, il se produit dans le creuset de la cuve de la chaleur inutile qui doit être évacuée S sans forme de pertes thermiques et qui contribue à augmenter inutilement la consommation spécifique d'énergie électrique (kWh/k^ Al), Il faut donc choisir comme densité de courant celle qui produit dans 1'électrolyte et dans le fondde la cuve, c'est-à-dire dans l'ensemble du creuset, juste la chaleur qui, après déduction de l'énergie utile, peut encore 10 être évacuée. Par énergie utile, on entend ici l'énergie nécessaire pour la décomposition de l'oxyde d'aluminium et le chauffage des matières mises en oeuvre, à une température de travail de 940° à 975°C sous une couverture appropriée d'oxyde d'aluminium 23 reposant sur une croûte d'électrolyte figé. La couverture d'oxyde d'aluminium 23 a plusieurs buts, outre celui de conditionner 15 l'oxyde avant son introduction dans 1 'électrolyte en fusion, elle doit-, d'une part, protéger les anodes contre la combustion de leurs surfaces chaudes exposées à l'air et, d'autre part, jouer le rôle d'une bonne protection thermoisolante. L'épaisseur de la couverture 23 d'oxyde d'aluminium reposant sur la surface figée 22 de 1'électrolyte, doit être d'environ 7 cm au minimum dans 20 la pratique industrielle. En p1 Lncipe, on peut travailler avec une défis ité de courant plus élevée que celle qui correspond à l'optimum. Mais alors la quantité de chaleur produite en excès doit être évacuée en augmentant de propos délibéré les pertes thermiques de la cuve, par exemple en réduisant l'épaisseur de la couverture 23 25 d'oxyde d'aluminium sur la surface figée 22 de 1'électrolyte de 8 cm à 7 cm, avec comme conséquence, naturellement» que la consommation spécifique d'énergie électrique augmente considérablement. L'avantage, dans ce cas, consiste en ce que la cuve peut alors avoir des dimensions plus réduites, donc des frais d'investissement plus faibles. 30 Si, par contre, on choisit une densité de courant anodique trop faible, pour une distance interpolaire constante donnée, la chute de tension dans 1'électrolyte diminue ce qui entraîne également une diminution de la consommation spécifique d'énergie électrique. Mais étant donné que la densité de courant anodique a diminué, il faudra, pour une même production de métal avoir 35 recours à une cuve plus grande, donc plus lourde et plus chère. L'augmentation du poids des cuves provoque également le renchérissement de l'infrastructure des halles d'électrolyse ainsi que des frais de réparation. Or les frais supplé- 71 43160 3 2116473 raentatres occasionnés, dans ces conditions, par une plus grande dimension de la cuve ne sont pas toujours compensés par la réduction de la consommation spécifique d'énergie électrique. Le procédé suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients 5 grâce au choix de la densité de courant anodique appropriée. Il concerne la conduite de cuves , alimentées par un courant d'intensité égale ou supérieure à 50 kA, pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse en bain fluoré de l'oxyde d'aluminium, avec anodes carbonées précuites, à une température comprise entre 940" et 975°C, et est caractérisé en ce que, avec une distance interpo-10 laire de 5 à 6 cm et une épaisseur de couverture d'oxyde d'aluminium d'environ 14 à 16 cm sur la surface figée de 1'électrolyte, l'on travaille avec une densité de courant anodique telle qu'elle produise juste la chaleur qui pourra être évacuée sous forme de pertes thermiques, compte tenu de l'énergie utilisée pour la dissociation de l'oxyde d'aluminium et le chauffage des matières mises en 15 oeuvre, La figure 2 montre la relation existant entre la densité du courant 2 anodique j en A/cm et l'intensité 1 d'alimentation des cuves (en kA) pour les conditions susmentionnées. On constate que la densité de courant anodique choisie doit diminuer lorsque l'intensité du courant d'alimentation augmente, 20 du fait que les dimensions de la cuve doivent augmenter plus rapidement que le courant d'électrolyse afin de présenter suffisamment de surface latérale pour la dissipation de la chaleur. Sur la même figure 2, est représentée la consommation spécifique d'énergie électrique E (kWh/kgAl) relative à la densité de courant anodique et à l'intensité du courant d'alimentation de la cuve corres-25 pondantes. En se basant sur la figure 2, on peut déterminer la densité de courant anodique qui, pour une intensité de courant de cuve donnée, doit être choisie. Dans une cuve, par exemple, marchant à 100 kA, la densité de courant à adopter o est de 0,67 A/dm . 30 En appliquant les conditions conformément à l'invention, la cuve travaille dans un domaine optimum quant à la densité de courant , c'est-à-dire avec un minimum de frais de production. Sur la surface figée de l'électro-lyte se trouve, sous forme d'une couche d'environ 14 à 16 cm d'épaisseur, une couverture d'oxyde d'aluminium qui servira à alimenter 1'électrolyte en produit 35 préchauffé et en quantité suffisante, lors du prochain piquage de la croûte. Etant donné que la surface de la couverture d'oxyde d'aluminium est pratiquement plane, les anodes qui sont approximativement à demi-consommées sont recouvertes, 71 43160 4 2116473 par exemple, d'une couche d'oxyde d'aluminium de 7 à 8 cm d'épaisseur, qui les protège d'une combustion par contact avec l'air. Les anodes mises en services plus tard et dont la partie supérieure dépasse la couche d'oxyde d'aluminium n'atteignent, en cette partie, qu'une température de quelque 500°C au maximum 5 et ne sont pas, de ce fait, susceptibles de combustion au contact de l'air; elles n'ont donc pas besoin d'être entièrement recouvertes d'une couche d'oxyde d'aluminium. La distance interpolaire n'est pas trop faible, si bien qu'il n'y a pas d'effets magnétiques gênants à craindre; elle n'est pas trop élevée non 10 plus et telle qu'elle pourrait produire de la chaleur inutile dans 1 ' électrolyte* qui devrait alors être évacuée de la cuve, en tant que pertes thermiques supplémentaires. La température de 1'électrolyte aussi se trouve dans un domaine optimum (940°-975°C) qui permet d'atteindre un bon rendement de courant dans les cuves conduites selon le procédé de l'invention et, par conséquent, une consommais tion spécifique d'énergie électrique favorable. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au procédé qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 71 43160 5 2116478 Ç-?.Y-0,Ç_LÇ-ê_ï-ï-Q_5 Procédé pour la conduite d'une cuve alimentée par un courant d'une intensité d'au moins 50 kA pour la fabrication de l'aluminium par électrolyse en 5 bain fluoré de l'oxyde d'aluminium à une température comprise entre 940 et 975cC avec anodes carbonées précuites, caractérisé en ce que, avec une distance interpolaire de 5 à 6 cm et une épaisseur de couverture d'oxyde d'aluminium d'environ 14 à 16 cm sur la surface figée de 1'électrolyte, l'on travaille avec une densité de courant anodique telle qu'elle produise juste la chaleur qui pourra 10 être évacuée sous forme de pertes thermiques, compte tenu de l'énergie utilisée pour la dissociation de l'oxyde d'aluminium et le chauffage des matières mises en oeuvre.