Brevet FR2251629A1 — publié le 19750613

L'invention concerne les cellules de fabrication électrolytique de l'aluminium et, plus particulièrement, leur garnissage cathodique. Ce garnissage est constitué de blocs parallélépipédiques précuits, en carbone ou en graphite, jointoyés au pisé de carbone ou collés. Ils sont mis en place dans une carcasse metal- lique, avec interposition d'une couche de réfractaire qui assure l'isolement électrique et thermique. Le plus souvent, dans la face inférieure de chaque bloc est creusée une rainure dans laquelle est scellée, soit å la fonte soit à la patte carbonée, une barre métallique d'amenée de courant, ordinairement en acier doux. Lorsqu'on pratique le scellement à la fonte,on est obligé de préchauffer l'ensemble barre bloc. De plus, il y a des risques de fissuration provoqués - à l'extrémité des blocs par les mouvements de la barre d'amenée de courant du fait des gradients thermiques ; - transversalement à l'axe longitudinal du bloc par des contraintes engendrées par le choc thermique ou par la dilatation différentielle longitudinale entre barre et bloc. On sait combattre ce type d'ennui par des méthodes nécessitant des moyens assez élaborés. Toutefois, on n'évite que difficilement des inconvénients se produisant lors du démarrage de la cuve et dus à la dilatation plus importante de la barre par rapport au carbone. Lorsque le scellement est fait à la pate, on évite partiellement les inconvénients de la fonte, mais la résistivité électrique à froid n'est pas bonne, d'où un démarrage délicat de la cellule : par ailleurs, la dilatation différentielle transversale redevient dangereuse après la cokéfaction et la rigidification de la pate vers 5000C, et la protection de la barre contre l'aluminium liquide, en cas de fissuration du bloc, est faible. De plus, dans les deux cas, la présence de la rainure est un facteur de fragilité, d'abord lors de la manutention du bloc, ensuite au moment où apparaissent des contraintes, lors de la manutention du bloc. Pour remédier à certains de ces inconvénients on a pensé à percer longitudinalement le bloc, au lieu de le rainurer, et à placer à froid, avec un jeu prédéterminé, la barre d'amenée de courant. Les dimensions transversales du trou et de la barre sont telles que, à la température de marche normale, la barre vient en contact plus étroit avec la paroi interne du trou pour assurer le passage du courant dans de bonnes conditions. Mais, en pratique,ceci est très délicat. D'une part il y a risque de fissuration au démarrage de la cuve, d'autre part la valeur de la chute de tension cathodique au cours du démarrage est assez variable d'un bloc à 11 autre. Dans ce cas la protection de la barre contre le métal se glissant dans les fissures du bloc est nulle.Enfin,, le contact électrique à froid est forcément médiocre comme dans le cas du scellement usuel à la fonte ou à la pate. 1,'invention permet de remédier à la plupart de ces inconvénients. Un bloc cathodique selon l'invention, foré d'un trou longitudinal ou muni d'une rainure où est engagée la barre d'amenée de courant, est caractérisé par le fait que l'intervalle entre la barre et son logement est rempli d'une poudre carbonée tassée jusqu'à une densité apparente d'au moins 1,4 Le matériau du joint ne contient pas de produit cokéfiable, de façon à conserver une certaine compressibilité tout au long de l'intervalle de température entre la température ambiante et la température de service dans la cuve qui est de l'ordre de 9000C La poudre utilisée pour la confection du joint doit en particulier résister à l'agression chimique du bain d'électrolyse, constitué de fluorures fondus, et du métal liquide.Les seuls matériaux industriels possibles sont les matériaux de carbone. Parmi toutes les poudres carbonées possibles la réalisation préférentielle de l'invention va au graphite, et surtout au graphite naturel, parce que ce sont eux qui présentent la meilleure conductibilité électrique et la meilleure aptitude à l'auto-agglomération par simple compression. La granulométrie de la poudre n'a pas une influence considérable. Il suffit que la plus grande dimension des particules les plus grosses soit nettement inférieure à la largeur de l1es- pace entre le bloc et la barre. Le joint doit être suffisamment épais pour absorber complètement la dilatation thermique jusqu'à la température maximale atteinte par la cathode. Il ne doit pas Entre trop épais pour ne pas augmenter la résistance, donc la chute de tension. En ne considérant que les aspects théoriques de la diata- tion différentielle des diverses parties de l'assemblage, la limite inférieure d'épaisseur du joint est de l'ordre de 2 mm pour une barre d'amenée de courant ayant une dimension transversale de 60 nn, et de l'ordre de 6 mm pour une barre de 200 mm. En pratique, pour tenir compte des irrégularités de la barre et pour faciliter l'obtention de joints de tassement régulier , on réalise des épaisseurs de 10 à 20 Tam. La densité de 1,4 est la valeur minimale assurant à la fois liaison mécanique et conductibilité électrique convenables. I1 n'est pas utile de tasser au-deld d'une densité de 1,9 En pratique la valeur choisie dépend en particulier de la nature de la poudre. Dans le cas du graphite naturel, la valeur préférée est de ltordre de 1,7 . Un minimum de tassement est nécessaire pour avoir une grande surface réelle de contact des grains entre eux et avec la barre et les parois du trou. De ce fait les propriétés électriques et thermiques du joint sont très bonnes De plus, la solidité mécanique de l'assemblage est très grande, meme si l'on emploie du graphite dont le coefficient de frottement avec le métal est relativement faible. L'avantage essentiel du montage de l'invention est sa capacité d'absorber complètement, grace à la compressibilité du joint granulé, les dilatations différentielles, transversale et longitudinale, entre barre et bloc, et ceci tout au long de la montée en température de la cathode. Le joint garde encore de l'élasticité à 800 C. Les risques de fissuration sont donc ainsi diminués. De plus, il n'est pas besoin que l'usinage de la barre soit parfait, car le glissement longitudinal de la barre est aisé. Dans le cas de scellement à la fonte, le double joint barre-fonte et barre-bloc est responsable de la plus grande partie de la chute ohmique cathodique. En utilisant une poudre d'un matériau carboné bon conducteur du courant et qui épouse par fait ment la rugosité de la surface du bloc, alors que la fonte ne mouille pas le carbone, on abaisse nettement les résistances de contacts dès le démarrage à froid de la cuve. Le joint de poudre ainsi défini peut être utilise avec des formes très variées de section de la barre comme de la section du logement ménagé dans le bloc. Si l'invention est déjà avantageuse dans le cas de barres placées dans des rainures du bloc, son mode de réalisation préférentiel est néanmoins l'emploi de barres de section circulaire placées dans des trous également de section circulaire.. Dans le cas de barres de 150 mm de diamètre par exemple, le diamètre du trou circulaire du bloc doit être de l'ordre de 180 mm suivant les données exposées précédemment.Ce mode préférentiel de réalisation présente l'avantage important de conférer au bloc de carbone une solidité bien plus grande, car le trou de section circulaire à l'intérieur du bloc ne change pratiquement pas ses propriétés mécaniques, alors que la présence d'une rainure longitudinale, et donc de l'existence de deux ailes de part et d'autre de cette rainure, conduit à une fragilisation dans la zone des ailes. Le fait que la barre soit à l'intérieur de la section du bloc présente un avantage supplémentaire qui est de la protéger contre l'éventuelle dissolution par le métal liquide. De plus, et sans que cela ait aucun caractere limitatif, la mise en oeuvre de l'invention avec une barre de section circulaire est beaucoup plus aise qu'avec toute autre forme de section. A titre d'exemple, on a foré à chaque extrémité d'un bloc cathodique de 500 m x 500 mm x 2.800 mm, pesant environ 1 tonne, un trou longitudinal de 170 tam de diamètre et de 1.350 mm de profondeur. Dans chacun de ces trous on a placé une barre d'acier doux de 120 mu de diamètre dépassant l'extrémité du bloc,et du graphite naturel de Ceylan, à grains allant de 0,16 à 4 mm,a été tassé par dam parente de 1,70 . Pour un bloc de cette dimension et pour une intensité électrique dans ce bloc de 9.800 ampères, la chute de tension à température ambiante entre la barre d'acier doux et le bloc a présenté une valeur de 250 mV alors que cette chute de tension à température ambiante est en moyenne de 2.000 mV pour un scellement à la fonte, pour un scellement à la pate de carbone ou pour un simple emmanchement à sec. Le contact assuré par le procédé selon l'invention statère donc très supérieur à celui des procédés connus. Ce contact étant très bon, la dispersion de la valeur du contact électrique d'un bloc à 11 autre est également très valable comparativement à la dispersion observée avec les procédés connus. Cette qualité du contact, ainsi que sa faible dispersion, assurent un démarrage aisé de la cuve et une très bonne homogénéité électrique entre les différents blocs de la cathode au cours du démarrage. Cet avantage n'est pas uniquement limité à la période du démarrage et I'expérience a montré que la chute de tension cathodique en service se trouve etre inférieure de 70 mV dans le cas du procédé de l'invention à celle observée avec les procédés connus, qui est de l'ordre de 350 mV. Pour mettre en évidence, dans le cas meme de l'exemple cidessus, la solidité de l'assemblage, même à froid, on a pu lever le bloc en le prenant par une extrémité de barre et le maintenir ainsi verticalement en l'air sans constater aucun déplacement de la barre par rapport au bloc. Ceci n'aurait pas été possible avec l'un des modes connus d'assemblage. REVENDICATIONS 1)- Elément de garnissage cathodique d'une cellule de fabrication électrolytique de l'aluminium constitué d'un bloc carboné précuit et d'au moins une barre métallique d'amenée de courant placée dans un logement longitudinal du bloc, caractérisé en ce que l'intervalle entre la barre et les parois du logement est rempli d'une poudre carbonée tassée jusqu'à une densité apparente d'au moins 1,4 2)- Elément selon la revendication 1, caractérisé en ce que le joint est réalisé en poudre de graphite, de préférence de graphite naturel. 3)- Elément selon l'une des revendications 1 ou 2, où l'épaisseur du joint pulvérulent est comprise entre 10 et 20 mm. 4)- Elément selon l'une des revendications 1 à 3, où la plus grande dimension des plus grosses particules de la poudre est inférieure à la largeur de l'espace entre barre et bloc. 5)- Elément selon l'une des revendications 1 à 4, où la barre d'amenée de courant est placée dans un logement de même forme que la barre, foré à travers le bloc. 6)- Elément selon l'une des revendications 1 à 4, où le logement est une rainure creusée dans une face du bloc.