Brevet FR2124516A1 — publié le 19720922

la m înveri* ion u;:- cuve pour l'électrolyse ignée de l'oxyde d'aluminium du type comportant des blocs de carbone, de graphite ou de graphite dur, formant une cathode, et disposés dans un plan essentiellement ho-5 rizontal., ainsi qu'un creuset en acier. L'utilisation des cathodes pour 1'électrolyse ignée de l'oxyde d'aluminium est conditionnée, en plus de leurs propriétés électriques, par leur résistance à l'élec-trolyte et au bain de métal. Les cathodes connues sont constituées 10 d'un*'certain nombre de blocs rectangulaires en un matériau à base de carbone ou contenant du graphite, et que l'on réunit dans le creuset pour former un fond essentiellement plat. Les intervalles entre les blocs sont remplis d'un mastic comprimé ou coulé. Les' blocs en carbone, en graphite, ou en graphite durci, formant la 15 cathode et surtout la masse introduite dans les intervalles, présentent un volume de pores accessible de l'ordre de grandeur de 20 à 30 % dans lequel 1*électrolyte et le bain fondu peuvent pénétrer au cours du fonctionnement du four. Les constituants de 1'électrolyte et 20 du bain d'aluminium fondu réagissent avec le carone ou le graphite à la température de fonctionnement pour former surtout du carbure d'aluminium et des composés intermédiaires. Les produits de la réaction présentent un volume plus grand que les éléments entrant en réaction, si bien que la cathode subit des contraintes 25 qui ne peuvent être absorbées qu'en partie par le creuset. Les contraintes mécaniques entraînent des déformations et des bombements de la surface supérieure de la cathode, ce qui nécessite un écart plus grand entre l'anode et la cathode pour éviter les court-circuits. Cette augmentation de l'écart entraîne une aug-30 mentation de la différence de potentiel et se traduit par un rendement électrique plus mauvais. Enfin, il faut maintenir des quantités de métal plus importantes dans la cuve, en vue de l'é— lectrolyse. La déformation croissante de la catho-35 de, qui peut provoquer le soulèvement de blocs isolés et qui se traduit avant tout par des fissures dans la masse de remplissage des intervalles, nécessite en fin de compte l'arrêt de cette cuve d1électrolyse et le remplacement du fond. On a déjà proposé d'éviter la déforma-40 tion de la cathode, jusqu'à un certain degré, en utilisant, à la 72 03886 2.- 2124516 place de carbone ou de graphite, des matériaux qui restent insensibles par rapport à 1'aluminium ou 1'électrolyte. C'est ainsi que le DOS 1 533 439 décrit une cathode formée de plusieurs couches, la couche tournée vers le bain étant en un matériau dur com-5 me un borure, un nitrure, un carbure d'aluminium. De telles cathodes, dont la dilatation au cours de 1'électrolyse est inférieure à environ 3 sont, toutefois, très onéreuses. La présente invention a pour but de supprimer très largement les déformations et les bombements de 10 la cathode, pour obtenir une surface plane de la cathode, même pendant des durées de fonctionnement prolongées, et notamment pour augmenter la durée de vie des cathodes constituées de blocs de carbone, de graphite ou de graphite durci. A cet effet, la cuve, selon l'inven-15 tion, est caractérisée en ce que les blocs de carbone, de graphite ou de graphite dur comportant des rainures pour recevoir les barres cathodiques, sont disposés de façon à former une surface plane par imbrication. Ce montage imbriqué selon l'invention 20 s'obtient en ce que des quatre surfacjs latérales d'un bloc, au moins deux surfaces opposées sont inclinées l'une par rapport à l'autre, c'est-à-dire que le bloc présente au moins une section verticale trapézoïdale, le petit côté du trapèze étant tourné vers la bain, alors que le côté parallèle, plus grand, constitue 25 la base du bloc. Suivant un mode de réalisation avantageux, la largeur d*un intervalle entre deux blocs est inférieure à 1 mm. Suivant uhe autre caractéristique de 30 l'invention, on prévoit une couche compressible entre les blocs de carbone, de graphite ou de graphite durci et le fond ou les parois latérales du creuset. Cette couche compressible, selon l'invention, est constituée, de préférence, par un matériau poreux. 35 Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est avantageux de prévoir des blocs en graphite et/ou en graphite dur au milieu du creuset, pour former la cathode, alors que les blocs de cathode correspondants aux bords du creuset sont en carbone. 40 Grâce au montage imbriqué des blocs 72 03886 3.- 2124516 de cathode selon l'invention, on répartir sur tout le fond de la cathode les contraintes mécaniques engendrées par la dilatation thermique et les réactions chimiques. On évite totalement que des blocs séparés se détachent par suite de la formation de 5 fissures dans la masse des intervalles. Du fait des intervalles de faible largeur, on améliore la transmission des forces d'un bloc à l'autre et on réduit la fraction de la matière de remplissage des intervalles, susceptible de participer à la réaction, ce qui réduit la dilatation globale de la cathode. 10 La couche compressible selon l'inven tion, prévue entre les blocs de carbone, le graphite, le graphite durci et le creuset, permet, dans une certaine mesure, la dilatation libre de la couche de briques de carbone. Grâce à ce montage "flottant", on évite dans une très large mesure, les contraintes 15 mécaniques dans la couche monolithique des blocs de carbone. Cet effet est amplifié du fait que le fond du creuset est relié au caisson de. ce creuset par des interstices de dilatation, ces interstices comportant avantageusement des joints perméables airs gaz. Les couches compressibles, selon l'invention, sont, par 20 exemple, des pierres poreuses, se réduisant sous l'effet de contrainte de pression,,des matières réfractaires en vrac ou des masses plastiques contenant du carbone,, Grâce à l'utilisation de blocs de cathode ayant des conductibilités thermiques différentes (cette 25 conductibilité est par exemple de l'ordre de 3 à 15 kcal/mh°C pour les blocs de carbone, de 20 à 40 kcal/mh°C pour les blocs de graphite durci et de 60 à 160 kcal/mh°C pour les blocs de graphite, on régularise la répartition de température dans la cathode et on évite les contraintes mécaniques entre les blocs. 30 Les avantages de l'invention résident notamment dans le fait qu'il ne se produit aucun bombement notable du fond au cours du fonctionnement du four et la différence de potentiel reste constante, même après une durée de fonctionnement prolongée. La répartition de courant dans la cathode est 35 plus régulière que dans les montages connus, ce qui se traduit par un meilleur rendement du courant. Alors que la durée de vie des cuves pour l'électrolyse de l'oxyde d'aluminium équipées de cathodes connues 3e situe en moyenne à environ 1200 jours, les cuves équipées de cathodes selon l'invention présentent des du-40 rées de vie d'au moins 2 500 jours. 72 03886 4. 2124516 Un mode de réalisation de l'invention est représenté, schématiquement sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une coupe transver-5 sale d'une cathode pour 1'électrolyse ignée de l'oxyde d'aluminium, - la figure 2 représente la répartition de blocs de carbone et de graphite sur une barre électrique. Le fond et les parois du creuset du 10 four 1 sont constitués de briques réfractaires 2. La référence 3 se rapporte à une couche de poudre de coke et de graphite et d'un liant thermoplaatique foimant une couche compressible. Et sur cette couche, au centre du creuset, on a des blocs de graphite dur 4» alors que dans la zone périphérique du creuset on a des 15 blocs de carbone 5 imbriqués les uns par rapport aux autres et pour lesquels l'angle d'inclinaison par rapport à la verticale des surfaces de contact de deux blocs adjacents augmente en fonction de l'éloignement du centre. Par le coincement réciproque qui en résulte pour les blocs et l'ancrage avantageux des rangées 20 de blocs avec les briques du bord, on évite, en cas de défectuosité de jonction, un bombement du fond et un soulèvement de certains blocs. Les blocs de graphite dur et les blocs de carbone présentent des rainures pour recevoir la barre électrique 8. Vers le bord latéral du creuset, l'ensemble des blocs s'appuie contre 25 une brique périphérique 6, également en carbone. L'écart entre deux blocs est d'environ 0,8 mm et l'intervalle 7 est rempli d'un mastic contenant du carbone. Sur la figure 2, on a représenté les blocs 4 et 5 disposés à cheval sur la barre électrique 8. L'in-30 tervalle 9 entre le rail et les blocs est rempli d'un métal ou d'une masse contenant du carbone. Suivant un mode de réalisation préférentiel de l'invention, les blocs présentent des surfaces inclinées par rapport à la verticale, la barre cathodique passant par ces surfaces. Les blocs présentent, également, deux surfaces 35 limite latérales, parallèles aux barres cathodiques. Cela permet notamment, de simplifier le montage de la cathode0 L'invention s'applique, en particulier aux cuves d'électrolyse ignée de l'oxyde d'aluminium. Bien entendu, l'invention n'est pas li-40 mitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés à partir desquels on pourra prévoir d'autres formes et d'autres modes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de 1'invention. 72 03886 5.- 2124516 REVENDICATIONS 1Cuve pour l1électrolyse ignée de l'oxyde d'aluminium du type comportant une cathode constituée de blocs de carbone, de graphite et de graphite dur, disposés dans 5 un plan horizontal, ainsi que d'un creuset en acier, cuve caractérisée en ce que les blocs de carbone, de graphite ou de graphite dur comportant des rainures pour recevoir les barres cathodiques, sont disposés de façon à former une surface plane par imbrication. 10 2.- Cuve selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque bloc présente au moins une section verticale trapézoïdale. 3.- Cuve selon la revendication 1 caractérisée en ce que la largeur de l'intervalle entre deux 15 blocs est inférieure à 1 mm. 4.- Cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le fond et les parois du creuset comportent entre le creuset et les blocs de carbone, de graphite ou de graphite dur, au moins une couche compres- 20 sible„ 5.- Cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la couche compressible est en un matériau poreux. 6.- Cuve selon l'une quelconque des 25 revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les blocs au milieu du creuset, sont en graphite et/ou en graphite dur et les blocs périphériques en carbone.