Brevet FR2175657A1 — publié le 19731026

"Procédé de préparation de blocs carbones L'invention concerne le préchauffage des blocs carbonés rainurés et des barres qui sont scellées dans les rainures au moyen de métal liquide. La sole des creusets des cuves industrielles servant en particulier à la fabrication électrolytique d'aluminium est composée généralement par juxtaposition de plusieurs blocs de carbone précuits à base d'anthracite, de graphite ou de toutes autres matières carbonées. Chaque bloc de carbone devant servir d'amenée de courant cathodique pour l'électrolyse est muni d'une barre métallique d'amenée de courant placée dans une rainure longitudinale creusée dans le bloc. On appelle ailes du bloc les parties situées de part et d'autre de la rainure. Pour assurer la fixation de la barre dans la rainure, ainsi que le contact électrique entre cette barre et le bloc, deux techniques sont généralement utilisées - soit le damage d'une pâte de carbone, - soit la coulée, par les techniques habituelles de fonderie, d'un métal liquide dans l'espace laissé libre autour de la barre à l'intérieur de la rainure, après préchauffage du bloc et de la barre. Cette technique, qui se prote à une production en série avec des investissements limités, présente l'inconvénient de soumettre les blocs de carbone à un choc thermique très brutal qui entraîne, dans certains cas, l'apparition de fissures transversales affectant les arêtes extérieures des blocs du côté de la rainure. Ces fissures peuvent ne pas apparaître dans le cas de blocs courts ; elles deviennent de plus en plus fréquentes et de plus en plus grosses pour les blocs très longs. Aussi a-t-on proposé de pré chauffer le bloc et la barre de façon à éviter la solidification trop rapide du métal, qui est en général une fonte, au contact d'une surface froide , ce qui conduirait à un mauvais scellement par défaut d'écoulement, formation d'inclusions, La technique habituelle de scellement est la suivante La barre (ou saumon) est mise en place dans la rainure, posée sur des cales en fer de manière à laisser un intervalle entre barre et bloc pour le passage deZafonte. Ensuite on procède au préchauffage de la barre et du bloc. Étant donné que l'on veut surtout préchauffer la barre et la partie du bloc qui sera en contact avec la fonte, le préchauffage initial se fait généralement en utilisant une rampe de brd- leurs à gaz ou à fuel qui donnent directement sur le saumon. On se sert parfois d'un four électrique ou à brtleurs radiants, à l'intérieur duquel on chauffe l'ensemble barre-bloc. Cette deuxième technique offre l'avantage d'éliminer l'humidité des blocs, autre source d'ennuis lors des opération de scellement. Les températures que l'on atteint lors du préchauffage et qui conduisent à un scellement correct sont de l'ordre suivant - températures de l'ordre de 400 à 7000C dans la partie centrale de la barre, - températures de l'ordre de 250 à 4500C dans la partie du bloc présentant la rainure, - températures comprises entre 1250 et 15000C pour la fonte au moment de la coulée. Dans les premières minutes qui suivent la coulée, la surface interne de la rainure est portée à une température élevée assez proche de celle de la fonte, alors que l'onde thermique a très peu pénétré à l'intérieur du bloc et que les parties externes du bloc sont encore à la température de pré chauffage, ou un peu moins du fait du refroidissement naturel. Il apparatt donc à l'intérieur du bloc des gradients thermiques très violents entraînant des gradients de dilatation thermique importants générateurs de contraintes mécaniques pouvant conduire à des ruptures localisées visibles au voisinage des arêtes extérieures, sous la forme de fissures dont le plan est sensiblement perpendiculaire à la direction de l'arête Ces fissures apparaissent peu de temps après la coulée, généralement au cours des dix premières minutes . Ces fissures, très visibles au moment de leur formation, se referment au fur et a mesure que le bloc refroidit et redevient isotherme. La discontinuité de matière subsiste néanmoins et affecte les propriétés mécaniques de l'en- semble cathodique.Dans le cas des blocslongs, il est difficile d'éviter ces fissures qui peuvent parfois affecter le bloc de haut en bas et se multiplier le long des arêtes. I1 n'est pas possible de pousser trop loin le préchauf- fage de la barre car cette pièce absorbera alors moins de chaleur lors de la coulée de la fonte, ce qui ne contribuera pas à affaiblir le choc thermique. D'autre part une augmentation de la température et du temps de préchauffage du bloc produit une oxydation grave et profonde de la surface du bloc. Le procédé de préchauffage selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Le procédé de préchauffage selon l'invention consiste à diriger l'action des moyens de chauffage d'une part sur la barre, d'autre part sur les deux faces latérales longitudinales externes du bloc, de façon à obtenir un gradient de température décroissante des faces latérales externes du bloc vers les faces internes de la rainure. Ce préchauffage est de préférence conduit de façon que la barre soit portée vers 550-6500C et que les faces latérales externes du bloc atteignent 400 à 4500 C, les faces internes de la rainure étant alors à une température plus basse de 50 à 1000C. Tout moyen de chauffage peut être utilisé. On peut,par exemple, chauffer la barre avec une rampe de bradeurs à flamme libre ayant une action très localisée, et chauffer les faces du bloc avec des brûleurs radiants. Ce double chauffage a les avantages suivants - les pertes thermiques dans le bloc sont réduites gracie au chauffage des faces latérales, ce qui permet d'atteindre la température désirée pour la barre avec un chauffage moins puissant qu'ordinairement. - le gradient de température décroissante de l'extérieur vers l'intérieur du bloc s'oppose à celui qui se développe au moment de la coulée du métal de scellement. Le choc thermique est donc réduit. - on peut avoir un préchauffage du bloc plus intense, dtoA une diminution du temps de préchauffage, donc de l'oxyda- tion superficielle. Les deux exemples comparatifs qui suivent mettent en évidence l'efficacité du procédé de l'invention. Dans les deux cas, on a des blocs à base d'anthracite calciné, de 295 cm de long et 50 x 45 cm de section transversale. La rainure a une section de 17 x 15 cm et la barre a une section de 12 x 14 cm. Les températures indiquées sont prises dans la section transversale médiane du bloc. Pour le sommet du bloc, la température est prise au milieu de l'aile. Exemple 1 - On préchauffe pendant quatre heures des séries de deux blocs jointifs à l'aide de brûleurs à gaz à flamme libre donnant sur les barres. Les températures de préchauffage ont été : barres métalliques s- 500 à 7500C sommets des blocs : 275 à 3500C bas des blocs z 120 à 2400C faces latérales des blocs : 190 à 3009C (faces externes non jointives) On a scellé à la fonte liquide à une température de 1350 à 15000C. On a constaté que 70 % des blocs présentaient au moins une fis sure transversale sur une aile. Exemple 2 - On pré chauffe pendant trois heures, selon le procédé de l'invention, des blocs non jointifs, grâce à une rampe de brtleurs à gaz à flamme libre sur la barre et une rampe de brû- leurs à gaz à flamme libre de part et d'autre des blocs sur une tOle inclinée à 45 , posée sur un isolant, pour dévier le flux de chaleur vers les faces latérales des blocs. Les températures de préchauffage ont été barres métalliques : 540 à 6700C sommets des blocs : 350 à 4500C bas des blocs : 240 à 3000C faces latérales des blocs : 390 à 4800C gradient inverse : 60 à 900C On a scellé à la fonte liquide à une température de 1350 à 15000C. On a constaté que 10 % seulement des blocs présentaient au moins une fissure transversale sur une aile. REVENDICATIONS 1/ Procédé de scellement d'une barre métallique dans une rainure longitudinale d'un bloc de carbone, consistant à placer la barre dans la rainure, à préchauffer la barre et le bloc et à couler un metal liquide dans la rainure autour de la barre, caractérisé en ce que l'on préchauffe d'une part la barre, d'autre part les faces latérales externes des ailes du bloc rainuré et qu 'à la fin du préchauffage il y a un gradient de température décroissante depuis les faces latérales externes jusqu'aux faces latérales internes des ailes du bloc. 2/ Procédé selon la revendication 1, où la température de la face externe d'une aile est supérieure de 50 à 1000C à celle de la face interne de ladite aile. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, où la barre est préchauffée à 550-7000C. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, où les faces latérales sternes sont préchauffées à 350-5000C.