Brevet FR2399489A1 — publié le 19790302

L'invention concerne une cuve de cellule électrolytique destinée à la réduction électrolytique de l'aluminium. La cuve comprend un fond, des parois latérales et des parois extrêmes constitués de plaques d'acier et entourés d'une structure de renfort. L'expérience a montre que dans les cellules ou cuves électrolytiques fonctionnant sous de fortes intensités, il apparaît des forces électromagnétiques risquant de perturber les opérations effectuées. Ces perturbations apparaissent généralement sous des courants de 40 à 50 kA. Lorsque des courants supérieurs sont utilisés, par exemple des courants de 100 à 200 kA, les difficultés peuvent s'accroître suffisamment pour qu'il soit impossible d'obtenir des conditions satisfaisantes de fonctionnement, à moins que certaines mesures, généralement coûteuses,soient prises. Ces forces électromagnétiques apparaissent lors du passage du courant dans les champs magnétiques créés dans la cellule électrolytique, et elles provoquent des vagues, des bulles et d'autres mouvements dans le bain et le métal.La différence de densité entre le bain de fusion et le métal sous-jacent et en fusion étant très faible, il peut en résulter des variations importantes de l'écart entre l'anode et le métal en fusion. Pour empêcher le métal fondu d'entrer en contact avec l'anode et de provoquer ainsi un court-circuit, l'écart entre l'anode et la cathode doit être augmenté. I1 en résulte un accroissement de la chute de tension entre l'anode et la cathode, un échauffement supplémentaire de la cuve et une augmentation de la consommation en énergie pour chaque kilogramme de metal produit. Le passage de courants électriques horizontaux dans le bain de métal provoque, sous l'effet des champs magnétiques verticaux, l'apparition de forces électromagnétiques orientées dans la direction longitudinale de la cuve. Afin de limiter les composantes horizontales de courant, et par conséquent de réduire les principaux mouvements se produisant dans le métal et le bain, il est classique de former un revêtement interne constitué par une partie du bain solidifiée le long de la garniture latérale de carbone de la cuve. Ce revêtement ou cette couche latérale solidifiée a un effet d'isolation électrique et limite donc les composantes horizontales de courant. Cette couche latérale solidifiée est obtenue par une limitation de l'épaisseur de la garniture latérale et par l'absence d'isolation thermique entre la garniture latérale et la coque d'acier de la cuve.Un autre avantage de cette couche latérale solidifiée est qu'elle protège la garniture latérale contre l'attaque du bain. Néanmoins, il arrive fréquemment que la matière en fusion traverse les garnitures latérales, avec des conséquences très gênantes et très coûteuses. Cette pénétration de la matière en fusion dans la garniture laterale est principalement due aux températures élevées de fonctionnement, associées à l'effet d'anode ou à de mauvaises condition s de travail pouvant être dues partiellement à d'importantes forces électromagnétiques. L'invention concerne une couche latérale solidifiee résistante et stable, permettant la construction d'une cuve plus résistante et plus durable que les cuves antérieures, sans augmenter la quantité d'acier utilisée. Ge résultat est obtenu, selon l'invention, par la mise en place d'éléments de renfort ou raidisseurs verticaux contre la surface extérieure des parois latérales et des parois extrêmes, et par la mise en place d'un châssis essentiellement horizontal de renfort à l'extérieur de ce raidisseur, de manière que des passages verticaux soient delimités entre lesdits raidisseurs pour permettre un écoulement libre de l'air contre les parois latérales et les parois extrêmes, et de manière également que les raidisseurs assument la fonction dtailettes de refroidissement conduisant et dissipant la chaleur des parois latérales et des parois extrêmes. Les avantages apportés par cette forme de réalisation sont principalement que la mise en place du châssis de renfort à une certaine distance des parois de la cuve a pour effet de ne faire apparaître que de faibles contraintes thermiques dans ledit châssis, ce qui élimine le phenomène de vieillissement des structures soumises à une charge de maintenir à une faible valeur la température du châssis de renfort et de ne provoquer que de faibles variations de temperatures lorsque la température ambiante varie de bénéficier d'une faible différence de température entre les parties intérieures et les parties extérieures du châssis de renfort ; et de guider le courant d'air vers les côtés de la cuve.D'autres avantages apportés par le contact entre les raidisseurs verticaux et les côtés de la cuve sont que ces raidisseurs peuvent assumer la fonction d'ailettes de refroidissement, que la résistance à l'écoulement d'air est faible, que l'air est guidé verticalement vers le haut le long des côtés de la cuve, et qu'aucune accumulation d'alumine le long des côtés de la cuve ne peut se produire. En d'autres termes, la conception de la cuve selon l'invention permet d'obtenir une caractéristique de transmission de chaleur élevée et stable entre les côtés de la cuve et les éléments montés autour de cette cuve. Cette caractéristique est très importante pour la formation d'une couche latérale solidifiée stable et résistante, protégeant la garniture latérale. La présence d'une couche latérale solidifiée et stable entraîne une répartition stable et convenable du courant cathodique et,par consequent, de bonnes conditions de fonctionnement. Ces dernières augmentent l'efficacité du courant et la durée de vie de la cathode. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une coupe transversale partielle, dans un plan vertical, d'une cellule électrolytique comportant une paroi latérale faisant partie de la cuve selon l'invention ; la figure 2 est une coupe transversale, dans un plan horizontal et à échelle réduite, de la cellule électrolytique de la figure 1 ; et la figure 3 est une coupe transversale verticale d'une cellule électrolytique comportant une structure transversale de renfort. Les figures représentent des parois latérales 1 et des parois extrêmes Il qui forment ensemble, avec une plaque 10 de fond, la cuve selon l'invention, construite convenablement en tôle d'acier. Les parois 1 et 11 en acier doi vent être fortement renforcées a' leur périphérie. Be renfort comprend principalement des raidisseurs verticaux 2 disposes le long des parois latérales 1, et des raidisseurs correspondants 22 disposés le long des parois extrêmes 11. Ces raidisseurs assument la fonction d'aiglettes verticales de refroidissement transmettant la chaleur des parois de la cuve aux courants dtair qui circulent le long de la surface extérieure de cette cuve.Les raidisseurs 2 et 22 peuvent avantageusement avoir une section droite en I ou en T afin de résister convenablement aux forces importantes de dilatation exercées par les garnitures 3a et 3b de la cuve, comme représenté sur la figure 1. Un châssis 4 de renfort, placé à ltextérieur des raidisseurs 2 et 22, comprend de fortes poutres 41 et 42 en acier, disposées horizontalement le long des parois latérales et des parois extrêmes de la structure, respectivement. Ce chassis 4 de renfort entoure avantageusement sans interruption la cuve sur tous ses côtés, et il peut être monté de manière à pouvoir être divisé en deux parties à l'aide dtun éclissage 44 ou autre dispositif placé au milieu de chaque élément extrême. Des passages verticaux 12 d'air sont ainsi délimités entre les raidisseurs 2, le long des parois latérales 1 et des passages verticaux correspondants 13 sont délimités entre les raidisseurs 22, le long des parois extrêmes 11. Comme représente en particulier sur la figure 1, la cuve est conçue pour être montee afin que l'air arrive dans les passages, par exemple dans le passage 12 représente sur la figure lt par le soubassement du local dans lequel se trouve la cuve, en passant sous le sol 20 comme indique par les flèches 31, puis qu'il sorte de la cuve en s'écoulant dans le local, au-dessus du sol 20, à l'extrémité superieure des passages 12, comme indiqué par les flèches 32. Ainsi, on utilise le courant d'air produit par le ventilateur d'évacuation dispose classiquement dans de tels locaux. Un avantage particuliur présenté par ce montage est que la temperature du soubassement est en général inferieure à celle du local, de sorte que l'air circulant dans les passages 12 et 13 est relativement froid. Le trou ou l'ouverture 7 par laquelle l'air sort à l'extrémité supérieure de chaque passage peut être avantageusement rendu réglable, afin qu'il soit possible de faire varier l'intensité du refroidissement. I1 est important, dans le montage selon l'invention, qu'aucun élément horizontal de renfort ne soit disposé le long des parois de la cuve et ne s'oppose ainsi à la circulation verticale decrite ou ne risque de provoquer la formation d'une couche d'alumine ou autre poussière constituant une isolation thermique. Le positionnement de l'élément le plus important et subissant la charge la plus élevée, à savoir le châssis 4 de renfort, à l'extérieur des raidisseurs 2 et 2R a egalement pour résultat d'abaisser la temperature de ce châssis et de ne faire varier la temperature de ce dernier que legèrement avec des variations de la température am biante,'Ainsi, le danger présenté par le phénomène de vieillissement du châssis de renfort est très réduit. Pour empêcher l'accumulation d'alumine ou autre poussière dans les passages 12 et 13 d'air, un toit ou capot 14, se présentant sous la forme d'une plaque ou-d'un secteur, peut être mis en place, comme représenté sur la figure 1 de manière à forcer le courant d'air 32 àsortir latéralement du passage 12 L'expérience a montré la possibilité obtenir l'extension de la couche latérale solidifiée 5 (figure 1) à peu près dans l'environnement de l'anode 6, lorsque le nombre d'ailettes de refroidissement constituées par les raidisseurs décrits ci-dessus est convenablement choisi et que les surfaces de ces ailettes sont convenablement dimensionnées.Cette disposition est idéale, car elle permet de ramener à un minimum les composantes horizontales de courant sans réduire trop fortement l'aire utile de la cathode. Suivant la date ou la température ambiante, la dimension de l'ouverture 7 peut être modifiée afin de régler l'épaisseur de la couche latérale solidifiée 5. Comme représenté sur la figure 1, les raidisseurs reposent sur des blocs 24 de base , par exemple par calage, de manière que des forces latérales puissent être transmises entre les extrémités inférieures des raidisseurs et la plaque 10 de fond de la cuve. Dans cette forme de réalisation, les raidisseurs ne sont ni soudés ni boulonnés aux parois de la cuve, mais appliqués librement contre ces dernières et peuvent donc être aisément démontés et, par exemple, dressés en cas de necessité. Le châssis 4 de renfort peut également être aisément démontet par exemple pour être dressé lorsqu'un défaut d'alignement se produit.En ce qui concerne l'ancrage, mentionné ci-dessus, des extrémités inférieures des raidisseurs, il est important que le châssis 4 de renfort soit placé relativement haut le long des côtés des parois de la cuve, au molns au niveau de l'extrémité supérieure de la cathode 3b en carbone. On utilise ainsi efficacement la résistance à la traction de la plaque 10 de fond. Aux avantages indiqués précédemment et concernant les conditions thermiques et la résistance mécanique, la forme de réalisation selon l'invention décrite présente également l'avantage d'être d'une fabrication simple et pratique. Par exemple, l'usinage de pièces est minimal.Hormis le soudage, aucun travail spécial n'est demandé. En outre, il est important de noter que l'entretien et la réparation de la structure décrite, par exemple dans le cas d'un démontage complet ou partiel de la cellule électrolytique, sont simples et peu coûteux. Enfin, en ce qui concerne les conditions thermiques > ' il convient d'ajouter que la cuve selon l'invention permet d'obtenir une couche latérale solidifiée très stable. De plus, son équilibre thermique est également très stable, c'est-àdire qu'il peut être considéré comme se réglant automatiquement. En pratique, les fuites apparues à travers la garniture latérale de la cuve selon l'invention sont très rares. Cet avantage est très important, comme indiqué dans le préambule. La dissipation horizontale améliorée de la chaleur à travers les parois latérales de la cuve permettent également d'obtenir une amélioration du rapport entre la perte de chaleur à travers les côtés et la perte de chaleur à travers le fond, car une isolation améliorée du fond, associée à un bon refroidissement par les parois laterales et extrêmes,permet de don ner à la couche latérale solidifiee la forme souhaitée et une plus grande stabilité que celle obtenue avec les types connus et antérieurs de cuves. Il en résulte une amelioration et une stabilisation de la répartition du courant dans le métal contenu dans la cellule électrolytique. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la cuve décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, il est possible, entre autres, de diviser le châssis de renfort, d'utiliser des raidisseurs ayant un profil en section droite différent de celui indiqué à titre d'exemple, et de mettre en oeuvre d'autres procedés de fixation des éléments principaux à la cuvet etc. La figure 3 represente une autre forme de réalisation. Les éléments communs à celle-ci et à celle representée sur les figures 1 et 2 portent les mêmes références numériques. Ces éléments communs sont les parois latérales 1, les raidisseurs verticaux 2, les garnitures 3a et 3D de la cuve, le châssis 4 de renfort et la plaque 10 de fond, Des montants verticaux 35a et 35b, disposes de chaque côte de la cuve et soudés ou autrement fixés à leur extrémité superieure au châssis 4, constituent un renfort supplémentaire de cette forme de réalisation. Les extremités inférieures des montants 35a et 35b sont ancrés dans des évidements 37a et 37b du sol 39. Les montants 35a et 35b sont relies, entre leurs extremités,par des traverses 36 sur les extrémites desquelles des écrous 38 sont vissés, de manière à assurer leur fixation aux montants 35a et 35b. Ce renfort permet de diminuer les dimensions des éléments constituant le châssis 4 , car les traverses ou tirants 36 et le sol 39 résistent à la plus grande partie des forces transversales. Une diminution des dimensions du châssis 4 s'accompagne dtune réduction de l'encombrement de chaque cuve. REVENDICATIONS 1. Cuve pour cellule électrolytique, destinée à la réduction électrolytique de l'aluminium, comprenant une plaque (10) de fond, des parois latérales (1) et des parois extrêmes (11) constituees de plaques d'acier, et une structure de renfort (2 w 22, 4) entourant les plaques, la cuve étant caractérisée en ce que des raidisseurs verticaux (2, 22) sont dressés contre la surface extérieure des parois latérales (1) et des parois extrêmes (11) et en ce qu'un châssis sensiblement horizontal (4) de renfort est monté à l'extérieur de ces raidisseurs (2, 22), de manière que ces derniers délimitent entre eux des passages verticaux (12, 13) dans lesquels l'air peut stécouler librement et s'élever contre les parois latérales (1) et contre les parois extrêmes (11), les raîdisssurs (2, 22) assumant ainsi la fonction d'ailettes de refroidissement qui conduisent et dissipent la chaleur des parois latérales et des parois extrêmes. 2. Cuve selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est conçue pour être installée dans un local de manière que les parties inférieures des passages d'air (12) soient situees au-dessous du sol (20) du local, les autres extrémités de passage d'air étant situées au-dessus du sol (20). 3. Cuve selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisee en ce que les extrémites suprieures des passages d'air (12) presentent des ouvertures ou des trous réglables (7). 4. Cuve selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisee en ce qu'un toit ou un couvercle (14) est disposé sur les extrémités supérieures des passages d'air (12), de manière que le courant d'air (32) sorte desdits passages en suivant une direction latérale. 5. Cuve selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les raidisseurs (2) sont reliés (en 24) par leur extrémite inferieure à la plaque (10) de fond, le châssis de renfort (4),étant placé au même niveau que l'extrémite superieure de la cathode (3b) de carbone ou à un niveau plus élevé. 6. Cuve selon lune quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le chassies de renfort (4) entoure totalement les parois latérales (1) et les parois extrêmes (11) et peut être divisé (en 44) en au moins deux parties. 7. Cuve selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les raidisseurs verticaux (2, 22) ne sont pas fixés à demeure, par exemple ni soudés ni boulonnés, aux parois latérales (1) ou aux parois extrêmes (11). 8. Cuve selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les raidisseurs verticaux (2 , 22) se présentent sous la forme de profilés en acier par exemple de section en I ou en T. 9. Cuve selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte des montants verticaux (35a, 35b) placés le long des parois latérales (1) et fixes au châssis (4) à leur extrémité supérieure, les extrémités inférieures des montants étant ancrées dans des évidements (37a, 37b) du sol (39), et des traverses (36) situées sous la plaque (10) de fond reliant les tronçons intermédiaires des montants correspondants (35a, 35b). entre eux.