Brevet FR2436763A1 — publié le 19800418

La presente invention concerne la fabrication d'articles en charbon à partir de mélanges de liant et agrégat de charbon. Il a été montré dans des études sur les articles en charbon cuits au four que l'on utilise par exemple dans l'industrie de l'aluminium comme électrodes, que les propriétés intéressantes, par exemple la masse volumique apparente à l'état cuit, passent par des valeurs IMximales lorsque la teneur en liant augrrente à partir de zéro par rapport à la teneur en agrégat de charbon. Voir, par exemple, l'article intitulé " Dependence of the Density and Other Properties of Bonded Carbone on the Binder Proportion in the Green Mix ", de J. Okada et Y. Takeuchi, dans Proceedins of the fourth Conference on Carbon, (New York : Pergamon Press, 1960 ).La quantité optimale de liant variera cependant selon des paramètres comme la microstructure de agrégat de charbon, la granulométrie de l'agrégat de charbon, etc.... Voir par exemple, l'article intitulé " Optimum Adjustment of Pitch Content in the Fabrication-of Prebaked Anodes Molded with a Press in the Aluminum Industry ", de M. Jarry et J. Pinoir reproduit dans Proccedings of the Third Czechoslovakian Aluminum Symposium, symposium tenu à Banska Bystrica le 21 septembre 1976. La présente invention concerne la détermination améliorée de la quantité de braiutilisée dans la fabrication d'articles en charbon à partir de mélanges brai/agrégat de charbon, et une technique utilisée en cours de production pour déterminer si la teneur en liant est optimale, sans avoir en fait à effectuer les essais,par exemple , de volume et de poids nécessaires pour déterminer la masse volumique apparente à l'état cuit. Selon la présente invention, il est fourni un procédé de préparation d'articles en charbon comprenant les étapes consis tant à mélanger le liant et l'agrégat de charbon ; à façonner le mélange resultant en un article ; à mesurer l'affaissement de l'article au moins à 0,25 mm après le façonnage et avant la cuisson, et si nécessaire à changer les- proportions relatives du liant et de l'agrégat de charbon dans les exécutions ultérieures de l'étape de mélange pour obtenir la quantité visée d'affaissement. Le terme " affaissement " désigne la quantité de laquelle une dimension est modifiée. Par exemple, si une dimension est initialement réglée par tassement du mélange dans un moule et que l'on enlève l'article resultant du moule et qu'on le laisse reposer, ces dimensions initialement réglées-se modifieront en raison du poids des parties placees en haut de l'article qui pèsent sur les parties inferieures. Ce changement de dimension est appelé affaissement ". Lorsqu'on met en oeuvre la présente invention, l'affaissement n'a pas cependant à être exprimé directement. I1 peut être exprimé indirectement, par exemple, en donnant simplement la dimension finale et en ne la soustrayant pas de la dimension initiale. Ou bien, il peut être simplement exprimé comme une tension lue sur un transformateur différentiel variable linéaire, et il suffit alors d'avoir une relation d'étalonnage entre la tension et la propriété désirée, par exemple, la masse volumique apparente à l'état cuit. Dans les dessins annexés la figure 1 est une vue en perspective d'une électrode utilisée dans un mode de réalisation du procédé de la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe comme indiqué par la ligne II-II de la figure 1 la figure 3 est une vue en coupe d'une portion d'un four annulaire contenant des électrodes selon l'invention, le plan de la coupe étant horizontal les figures 4A et 4B sont des diagrammes schématiques illustrant le procédé et les aspects réels de la présente invention la figure 5 est un graphique d'une mesure de la largeur de l'anode en fonction de la teneur en liant pour une série d'anodes ayant une granulométrie de l'agrégat type la figure 6 est un graphique de la mesure de la largeur de l'anode en fonction de la teneur en liant pour une série d'anodes ayant une granulométrie de l'agrégat plus faible que celle représentée sur la figure 5 la figure 7 est un graphique de la masse volumique apparente à l'état cuit en fonction de la teneur en liant pour deux types différents de granulométries de l'agrégat pour une série d'anodes la figure 8 est un graphique de la mesure de la largeur de l'anode en fonction du temps écoulé depuis la compression, pour une anode donnée la figure 9 est un graphique du changement de dimension en fonction de la teneur en liant et compare les changements de dimension qui se produisent dans la largeur et la longueur d'une anode donnée ; et la figure 10 est un graphique de la mesure de la largeur d'une anode en fonction de la teneur en liant pour une anode donnée, oA l'élévation du point de mesure sur l'anode varie. Considérons d'abord les figures I et 2 ; elles représentent un article en charbon que l'on peut fabriquer en utilisant la présente invention. Cet article en charbon particulier est une anode que ,l'on peut utiliser pour produire de l'aluminium métallique dans un procédé basé sur l'électrolyse de l'alumine dissoute dans un solvant à base de cryolite fondue. L'anode 3 comporte, sur sa surface superieure 4, des saillies 1 qui sont utiles pour expacer de telles anodes les unes des autres pendant-leur cuisson dans un four. Sont également prévus dans la face supérieure des trous 2. Ces trous sont par la suite munis de tiges métalliques pour la conduction ducourant électrique d'une source à l'anode. De telles anodes sont typiquement fabriquées, comme représenté sur la figure 4A, en mélangeant une combinaison choisie d'agrégat grossier, intermédiaire et fin avec du liant dans un malaxeur et en façonnant le mélangerésultant dans des moules en utilisant une presse hydraulique. Dans le malaxeur, qui peut par exemple être du type continu Baker Perkins Koneader, l'agrégat et le liant sont pétris jusqu'à ce que l'agrégat soit bien mouillé par le liant. La température au moment du malaxage peut être environ 1500C, alors que le façonnage se fera par exemple à 1300C. Des granulométries types pour les fractions grossières, intermédiaires et fines sont données dans le tableau I dru brevet des E.U.A. No. 3.855.086. Des proportions types des fractions grossières, intermédiaires' et fines sont respectivement 49%, 15% et 36% dans le cas de la figure 5, et 41%, 16%- et 43% dans le cas de la figure 6. Le brai aura par exemple un point de ramollissement de 1100C, comme déterminé par la méthode ASTM D2319. Des exemples d'agrégat de charbon appropriés sont le coke de cokéfaction différée et le coke fluide. Ils sont calcinés, selon l'usage dans l'industrie del'aluminium, pour chasser essentiellement toutes les matieres volatiles Des exemples des liants appropriés sont le brai de goudron de houille et le brai de pétrole. Comme représenté sur la figure 4B, les anodes en charbon 3 formées sont transportées à l'écart de l'opération de façonnage par un système transporteur. Leur température diminue suffisamment pour que la viscosité du brai augmente à un degré tel que les anodes formées peuvent être finalement soulevées par une grue et déposées dans un four annulaire pour la cuisson. Leur situation dans un four annulaire est représentée sur la figure 3 où on notera que les anodes sont d'abord inclinées sur leurs extrémités avant d'être descendues dans le four de sorte que les saillies 1 espacent les anodes adjacentes les unes des autres. Les détails du fonctionnement des fours annulaires sont familiers à l'homme de l'art et sont décrits, par exemple, dans le brevet des E.U.A. No. 3.975.149. Comme représenté sur la figure 3, des particules 5 de coke fluide sont prévues dans la cavité 6 du four autour et entre les anodes et dans les trous 2 dans le but d'empêcher l'effondrement des trous pendant la cuisson et de pro téger les anodes de la combustion à l'air pendant qu'elles sont à une température élevée. Selon la présente invention, on fait passer les anodes quittant l'opération de façonnage devant un dispositif de détection de dimension, pour mesurer l'affaissement. Ce dispositif de détection de dimension est avantageusement construit en se basant sur des transformateurs différentiels variables linéaires ( TDVL), un de chaque coté de l'anode lorsqu'elle quitte le système transporteur 7, comme représenté sur la figure 4B. Cette disposition, un de chaque côté des anodes, est telle que les mesures ne seront pas influencées par la disposition particulière des anodes, gauche et droite sur la figure 4B, c'est-à-dire dans le sens du mouvement des armatures des TDVL.Les armatures des TDVL sont activées en utilisant des rouleaux détecteurs 8 montés sur les arbres 8a de traversées à billes linéaires, par exemple les traversées à billes SUPER TWN-8-BG de Thomson Industries, Manhasset, New York, U.S.A.. En plus de l'utilisation de deux TDVL, il est avantageux d'effectuer d'abord un positionnement des anodes avant qu'elles ne passent entre les rouleaux détecteurs 8. Ce positionnement d'une anode est effectue en amenant un épaulement 9, sous forme d'une plaque métallique, dans le trajet de l'anode en poussant l'epaule- ment vers le haut entre les cylindres du système transporteur. Les cylindres entraînés 14 font que l'anode s'ajuste elle-même à plat contre l'épaulement. Le poussoir 10 de chargement pousse ensuite l'anode sur le transporteur à plateau 11. Un poussoir supplémentaire 13 est placé à l'opposé du poussoir 10 et sert à rejeter les anodes de largeur inacceptable en les renvoyant au système transporteur 7 pour un broyage ultérieur et une utilisation ultérieure comme partie de la charge introduite dans le malaxeur. L'armature de chaque TDVL est poussée à ressort de façon à ce qu'elle soit dans sa position la plus interne. Chaque armature se déplace d'une distance mesurable quand une anode passe dévant elle et vers le transporteur à plateau. Chaque TDVL est relié à un démodulateur qui produit une tension de sortie linéairement proportionnelle au mouvement que son armature subit. Les tensions de sortie des TDVL sont ajoutées au niveau du démodulateur, et la somme résultante est utilisée comme signal d'entrée du déplacement d'un enregistreur. Le diagramme résultant de l'enregistreur donne alors un graphique de la largeur de l'anode ( somme des déplacements subis par les armatures de chaque TDVL ) en fonction de la position le long de l'anode pour chaque anode, le système transporteur et le papier de l'enregistreur se déroulant tous deux à vitesse constante La largeur elle-même est prise comme mesure de ltaffaissement, bien qu'il soit possible de soustraire la largeur interne de la matrice. Ceci n'a pas d'importance pour autant que l'on se réfère à une valeur appropriée à la mesure particulière utilisée.En général, l'affaissement maximal se produit à mi-chemin de la longueur de l'anode, et cette valeur maximale est la seule utilisée. Une liste d'exemples d'équipements TDVL appropriés est donnée dans le tableau I. En plus des articles mentionnés précédemment, un câble coaxial protégé peut être nécessaire quand le démodulateur et/ou l'enregistreur sont placés à un endroit éloigné de l'emplacement des TDVL. TABLEAU I Instrument Fabricant Article No. Démodulateur Automatic Timing & Controls 6101F-1X Co.,King of Prussia, PA. (U.S.A.) TDVL " 6234A02B01PX A côté de cette technique de mesure de dimension automatisée, on verra évidemment qu'il est possible d'utiliser manuellement des pieds à coulisse pour obtenir la même mesure. On peut également utiliser d'autres dispositifs de mesure automatiques comme des dispositifs n'utilisant pas de contact, par exemple les dispositifs de type laser. Les figures 5 et 6 montrent les résultats de deux essais séparés dans~lesquels on mesure l'affaissement d'une anode en fonction de la teneur en brai. Les astérisques indiquent des points de données uniques alors que le chiffre "2" représente deux points de données au même endroit. Les essais diffèrent seulement par les quantités relatives de fractions grossières, intermédiaires et fines. L'essai de la figure 5 utilise une granulométrie de l'agrégat classique alors que celui de la figure 5 utilise un agrégat plus fin. L'axe vertical des deux graphiques donne la largeur maximale de l'anode comme mesure de l'affaissement, et on verra que le début 12 de l'affaissement important se produit à une teneur en brai inférieure pour l'agrégat plus grossier de la figure 5.L'agrégat utilisé dans les essais des figures 5 et 6 est du coke de cokéfaction retardée, et le brai est du brai de goudron de houille. Le poids et la température de l'anode affectent la relation entre la dimension mesurée de l'anode et sa teneur en liant. La pente de la courbe des figures 5 et 6 est correcte pour les grosses anodes pesant environ 454 kg ou plus. De plus petites anodes, pesant 227 kg ou moins, semblent être moins affectées par l'affaissement que par l'air emprisonné dans le mélange cru qui se dilate quand on enlève la pression de moulage. Comme la quantité d'air emprisonnée dans l'anode est inversement proportionnelle à la quantité de liant, un graphique de la dimension de l'anode en fonction de la teneur en liant peut présenter une pente descendante. Lorsque l'on augmente le poids de anode, l'affaissement devient plus prononcé et tend à masquer l'effet de la dilatation de l'air.Les plus grosses anodes ont tendance à se refroidir plus lentement que les plus petites anodes et on effectue fréquemment la mesure quand elles sont au-dessus du point de ramollissement du liant, ce qui augmente ainsi la tendance à l'affaissement. Pour les grandes anodes, on obtient une pente ascendante dans un diagr,mme,de la dimension de l'anode en fonction de la teneur en liant, comme représenté sur les figures 5 et 6. On a également découvert que la quantité de brai pour le début de l'affaissement important coïncide, pour les besoins pratiques, avec la quantité de brai pour l'obtention d'une masse volumique apparente à l'état cuit maximale dans un diagramme de la masse volumique apparente à l'état cuit en fonction de la teneur en brai, comme représenté sur la figure 7. Les droites verticales en traits pointillés, auxquelles on se réfère par les indications No. 1 et No.2, correspondent respectivement aux points d'inflexion des mesures de largeur des essais 1 ( figure 5 ) et 2 ( figure 6 ). Ce que ceci signifie pour des besoins pratiques est que, pour une dimension donnée de agrégat, il est seulement nécessaire de surveiller le début de l'affaissement principal en utilisant l'appareil de mesure de la largeur, pour savoir que l'on utilise la quantité correcte de brai pour obtenir la masse volumique apparente maximale à l'état cuit. Ce qui est impliqué ici est un type de système de rétro-alimentation où l'on cherche à introduire autant de brai que l'agrégat donné peut en absorber. Quand les mesures de largeur indiquent que l'affaissement devient important, on préparera alors les lots ultérieurs de brai et d'agrégat avec une quantité quelque -peu réduite de brai.De tels ajustements peuvent être faits manuellement ou par des machines commandées par les signaux de sortie des TDVL. I1 n'est évidemment pas nécessaire selon la présente invention que l'on opère juste au démarrage 12, le point d'inflexion, des figures 5 et 6. Par exemple, on peut souhaiter opérer quelque part dans la région de l'affaissement important pour mieux obtenir les avantages qu'apporte la maximisation de la teneur en brai dans l'anode. Ainsi, dans le cas de la figure 6, on pourrait utiliser 18% de brai, et la largeur d'anode à surveiller serait de 687,3 mm. Lorsque la quantité de brai augmente, il peut se poser un problème de collage des anodes dans le four annulaire, mais ceci est surmonté par la prévision des saillies-l. Le brai qui exsude pendant la cuisson peut seulement causer une liaison entre les anodes adjacentes aux endroits des saillies-l, et les anodes sont par la suite facilement séparées les unes des autres en raison du degré limité de liaison, cette liaison étant limitée seulement à l'emplacement des saillies 1. Un avantage de la présente invention est qu'elle permet d'observer l'apparition de changements inattendus dans l'agrégat que l'on introduit dans l'opération de malaxage. Par exemple, si lton utilise l'agrégat de la figure 6 avec une teneur en brai de 18.% et que la granulométrie de, l'agrégat change en raison par exemple d'un blocage de la porte d'entrée des fines, de sorte que la granulométrie de l'agrégat est modifiée par rapport à celle de la figure 5, on pourrait alors commencer à noter que l'anode s'affaisse davantage et donne une mesure de largeur maintenant à 688 mm au lieu de 687 mm. L'opérateur peut alors noter le changement des conditions du processus et prendre les contre-mesures appro priées.Par exemple, si l'on introduit en fait un agrégat dune nouvelle granulométrie et qu'il soit introduit pendant sun certain temps à venir, la contre-mesure sera alors de diminuer la teneur en brai à peut-être 17,402 pour opérer sur la ment partie de la courbe de la figure 5 que celle que l'on utilisait pour l'agrégat de la figure 6. Si la cause est un blocage de la porte d'ali"enta- tion des fines, la contre-mesure est alors de débloquer la porte. Un autre avantage de la présente invention est que la de l'affaissement des anodes non cuites -permet de savoir quand la cuisson d'une anode va donner un produit non satisfaisant. En conséquence, une anode non cuite présentant un affaisserent non satisfaisant peut être rejetée, broyée et alimentée de nouveau comme partie de la charge du malaxeur. On a trouvé que le degré d'affaissement est fonction du temps qui s'est écoulé depuis l'opération de façonnage. Par exemple, si les anodes proviennent de l'opération de façonnage et se déplacent ensuite sur un transporteur à une certaine vitesse fixée, l'affais- sement noté sera alors fonction de la distance le long du transporteur à laquelle on effectue les mesures de largeur. Ceci est illustré sur la figure 8. Ainsi, dans la mise en oeuvre de la présente invention, on doit toujours mesurer des anodes qui ont durci pendant la même durée après le façonnage. Ou bien on doit compenser quand on compare des mesures à des temps différents. On verra évidemment que l'affaissement approche d'une valeur limite lorsque la température de l'anode diminue jusqu' à la température ambiante, car alors la viscosité du brai devient si élevée que l'affaissement s'arrête d'augmenter. On fait également des mesures d'affaissement en utilisant les longueurs des anodes ainsi que les largeurs et bien que, oo3xe indiqué sur la figure 9, les changements de dimension sont diffre- rents selon que l'on mesure la largeur ou la longueur, il y a une relation fonctionnelle linéaire approximativement parallèle entre les mesures de largeur et de longueur de sorte que l'on peut utilise ser de manière égale l'une ou l'autre dans la présente invention. On notera que, sur cette figure, l'analyse de l'affaissement est donnée en différence (# ) entre la dimension affaissée et la dimension initiale ( la dimension initiale est égale à la dimension interne de la matrice ). Pour les mesures de largeur, on a également surveillé l'effet de la hauteur à laquelle on effectue la mesure sur les côtés des anodes. Comme illustré sur la schéma de la figure 10, les mesures sont faites à la partie inférièure, au centre et au sommet des côtés de l'anode, c'est-à-dire à des distances respectivement de 102 mm, 254 mm et 356 mm en montant le long des côtés. Les résultats sont donnés sur la figure 10, et on verra que la discrimination est meilleure si l'on fait les mesures à la partie inférieure de l'anode. Les-pourcentages sont donnés ici en poids à moins d'une indication contraire. Le pourcentage de liant est calculé par rapport au poids total de liant et d'agrégat. REVENDICATION Procédé de préparation d'articles en charbon comprenant les étapes consistant à mélanger un liant et un agrégat de charbon et à façonner le mélange résultant en un article, caractérisé en ce qu'on mesure l'affaissement de l'article au moins à 0,25 mm après le formage et avant la cuisson, et si nécessaire, on change les proportions relatives de liant et d'agrégat de charbon dans les exécutions ultérieures de l'étape de mélange-pour obtenir une quantité désirée d'affaissement.