Brevet FR2467891A1 — publié le 19810430

La présente invention se rapporte à une cuye pour électrolyse, en particulier pour la fabrication d'aluminium par électrolyse du bain de fusion, comportant un habillage de parois latérales essentiellement constituées de carbone ou autre matériau semblable et une disposition de blocs cathodiques, une masse compactée étant éventuellement interposée entre l'habillage des parois et les blocs cathodiques, ainsi que les, éléments de renfort qui enserrent la cuve. La fabrication de l'aluminium selon le procédé HALL- HEROULT par électrolyse de l'oxyde d'aluminium s'exécute à grande échelle dans des cellules pour électrolyse de différents types qui se distinguent principalement par la construction de leurs électrodes. La plupart des constructions de cellules ont en commun une cuve métallique dont les parois latérales sont habillées de bordures de carbone dont la forme peut différer dans le détail et dans laquelle reposent les blocs cathodiques pour le processus d'électrolyse. Du fait que l'électrolyse s'exécute dans une zone de température d'environ 1000 C, la cathode se dilate en partie notablement. Les bordures de carbone suivent cette dilatation thermique, ce qui conduit à des joints entre la cuve et les bordures de carbone et à des fissures dans le matériau de ces bordures de carbone. Par ces fissures, l'aluminium passe entre autres dans le joint, ce qui amène une multiplication de réparations, une indisponibilité précoce et donc une diminution de la durée de vie utile des cathodes en carbone et des cuves pour électrolyse. Il est apparu de plus que lors de la mise en route de la cellule pour électrolyse, la masse compactée, disposée généralement entre les bordures de carbone et les blocs cathodiques se contracte, ce qui se traduit par une formation supplémentaire de fissure. Pour éviter ces désavantages, on a cherché à s'opposer à la dilatation de la cuve par des renforts mécaniques simples. C'est ainsi que par exemple on a fixé contre les parois latérales de la cuve, des profilés métalliques de différents types, L'expérience pratique a montré que des renforts des parois de la cuve de ce type ne pouvaient généralement pas limiter sensiblement la formation des fissures de contrainte mentionnées. Les profilés de renfort soit, présentent après un court délai, partiellement à la même température que la cuve et donc, se dilatent pareillement, soit forment, un bridage périphérique de la cuve, ce qui fait que cette cuve s'élargit particulièrement sur les parties de paroi non renforcées. L'inventeur a comme objectif de réaliser une cuve pour électrolyse et de l'équiper de renforts de façon que ces désa- vantages n'apparaissent pas et en particulier qu'il subsiste une élasticité de la dilatation de la cuve sans dommage pour les garni- tures. Pour atteindre cet objectif, on utilise une cuve pour électrolyse du type mentionné ci-dessus et dans laquelle les renforts disposés sur les parois latérales de la cuve ont la forme d'éléments de renfort limitant élastiquement la pression provenant de la dilatation thermique de la cuve et sont disposés, avec possibilité de déplace- ment, au moyen de dispositifs de fixation. De préférence, les éléments de renfort -dénommés dans ce qui suit ressorts thermiques- ont la forme de profilés creux, pour lesquels il est apparu que l'arête latérale qui s'appuie contre la cuve se réchauffe avec cette cuve et que l'arête opposée présente par contre une température plus basse d'environ 100-200'C. Pour améliorer encore leur mode d'action, les profils creux présentent les ouvertures longitudinales qui freinent la trans- mission de la chaleur entre la face interne et la face externe du ressort thermique et appuient de plus la différence de température par circulation d'air. Cette différence de température dans le profil creux conduit à une dilatation longitudinale différente dans l'état d'équili- bre thermique de la cuve pour l'électrolyse, cette dilatation thermique différente opérant de son côté une flexion de l'ensemble du profil en direction de sa face interne appuyée contre la paroi chaude de la cuve. Il est encore possible d'augmenter cette flexion en fabriquant les deux moitiés du profil creux à la façon d'un bilame, à partir de deux matériaux différents à coefficient de dilatation thermique différent, de façon que le côté du profil dirigé vers l'i'- térieur présente le coefficient.de dilatation thermique le plus élevé et que le côté du profil dirigé vers l'extérieur présente ce coeffi- cient le plus bas. Le profil creux étant ancré entretemps, de par la forme, contre la paroi latérale de la cuve, la flexion du profil se transmet à la paroi latérale de la cuve et exerce sur elle une force dirigée vers l'intérieur de la cuve pour électrolyse qui contre- balance élastiquement les forces exercées sur les parois de la cuve par la dilatation du contenu des cellules. Pour un réglage approprié de l'équilibre thermique dans la cuve pour électrolyse et pour un dimensionnement et un choix judicieux du matériau du profil creux, ces forces opposées ont la même valeur et se compensent donc récipro- quement et on réduit ainsi: ou même on supprime une déformation inégale de la paroi latérale de la cuve avec ses conséquences indésirables. Pour donner de la souplesse, le ressort thermique est fixé à la paroi latérale au moyen d'éléments de fixation qui autorisent une dilatation de la paroi latérale malgré la présence des ressorts thermiques que l'on y a rapportés, On peut par exemple fixer les ressorts thermiques sur la paroi latérale au moyen de vis ou de coulisses qui peuvent coulisser dans des lumières. Comme autres exemples on indique la fixation au moyen de déccrochements en forme d'aile venus de forme sur des arêtes longi- tudinales voisines et qui s'insèrent, à la façon d'un écrou et d'un ressort, dans les rails fixés sur les parois latérales de la cuve. Ces modes d'ancrage des profils creux ne garantissent pas seulement la transmission sur la paroi de la-cuve des forces résul- tantes de la flexion de cette paroi à l'état chaud, mais garantissent également un montage et un démontage simples de l'ensemble du disposi- tif. De préférence, pour motifs, de contrainte, les ressorts thermiques sont disposés au-dessus des barreaux cathodiques qui con- duisent aux blocs cathodiques. Un autre avantage de l'invention réside en une inter- diction de la voussure de la paroi de la cuve, Dans les cathodes sans ressort thermique, c'est au centre que la flexion des parois de la cuve est la plus importante. Les efforts provoqués par la dilatation thermique dans les blocs cathodiques situés dans les angles appuient la cuve vers l'extérieur, ce qui peut avoir pour conséquence que l'habillage de la cuve n'exerce pratiquement plus de pression contre la paroi latérale au voisinage du centre de cette paroi latérale. Les ressorts thermiques s'opposent à la flexion des parois latérales par une double action a) par le renfort des parois, que l'on peut calculer, b) par la flexion, agissant vers l'intérieur, du ressort thermique par suite de la différence de température des côtés du ressort thermique lui- même et interdisent donc l'apparition de formations de fissures dans le revêtement des cathodes. Pour améliorer et diriger la dilatation, on prévoit de préférence dans le plancher de la cuve, en plus, une ou plusieurs longueurs de dilatation, de préférence en forme de pli convexe qui empêche le développement d'une contrainte de traction trop élevée entre la paroi et le plancher de la cuve. Ces longueurs de dilatation peuvent au choix être prévues sur ou dans le plancher selon la forme de la cuve et selon ses besoins du point de vue technique de fabrication. - De même, on note de préférence aux angles-la forme de voussuresrenforcées vers l'extérieur, pour ne pas permettre non plus ici l'apparition de contraintes de traction trop élevées lors de la dilatation homogène de la paroi. La pratique a montré qu'une voussure dans les angles est le plus favorable avec un rapport de la voussure à la longueur de la paroi latérale de la cuve de 1/3 à 1/10. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur les- quels: la figure 1 est une coupe schématisée d'une cellule pour électrolyse; la figure 2 est une vue de dessus d'une cellule pour électrolyse, en coupe, selon la ligne II-II de la figure 1; la figure 3 est un détail à échelle agrandie d'une coupe de la cellule pour électrolyse la figure 4 est une vue latérale perspective d'un ressort thermique. Une cellule pour électrolsye A se compose selon figure I d'une cuve 1 de fabrication métallique et généralement en un acier à bas carbone et présentant une projection horizontale rectangulaire, habillée au plancher avec un matériau isolant 3 et aux parois laté- rales avec des bordures de carbone 2, A travers les parois latérales de la cuve d'acier 1, on fait passer des barreaux cathodiques 4 qui reposent sur le matériau isolant 3. Sur les barreaux cathodiques 4 reposent des blocs cathodiques 5. Eventuellement un espace intermédiaire possible entre les blocs cathodiques 5 et les bordures de carbone 2 est rempli d'une masse com- pactée 14. Les anodes 6 plongent dans l'électrolyte 7 constituée de sels d'aluminium et de fondant en bain de fusion, et que limite contre les parois latérales- de la cuve et vers le haut une croute solidifiée 8. Sur cette croute 8 repose l'alumine 9, Le métal électrolysé 10 en fusion qui se sépare se rassemble entre l'électrolyte 7 et les blocs cathodiques 5. Le plancher de la cuve 1 comporte une ou plusieurs longueurs de dilatation Il en forme de pli qui peuvent s'étendre géné- ralement sur toute la longueur et/ou la largeur du plancher de la cuve. La projection horizontale des longueurs de dilatation Il qui courrent dans le plancher de la cuve.1 peut présenter diffé- rentes formes dont le double Y représenté sur la figure 3 ne montre qu'un exemple. Le choix entre différentes formes doit se faire dans le cas particulier, sur la base de la dilatation thermique du contenu de la cellule attendre ou sur la base de critères de technique de fabrica- tion. Les angles 18 de la cuve I ont la forme de voussures convexes vers l'extérieur? selon figure 2 et sont de préférence ren- forcés. Leur projection horizontale présente la forme d'un segment de cercle ou d'un segment de courbe, des séries d'essai en exploitation ayant montré que le rapport convenable entre la longueur des quatre voussures et la longueur de la paroi latérale de la cuve se trouve sur la plage 1/3 à 1/10. Si le contenu chaud de la cellule par élec- trolyse se dilate et si des forces dirigées vers l'extérieur à partir du contenu des cellules agissent donc sur les parois latérales de la cuve 1, les voussures permettent une déformation élastique des angles sans qu'apparaissent des contraintes de traction trop élevées. Les parois latérales de la cuve en acier 1 sont encadrées par des ressorts thermiques 12 rapportés sur la cuve 1 ou fixées à cette cuve au moyen d'éléments de fixation 13 (figure 3). De préférence, on rapporte les ressorts thermiques. 12 sur la cuve en acier 1 au-dessus des fenêtres 15 pour barreaux cathodiques 4. Selon figure 4, un ressort thermique est de préférence constitué d'un profil creux avec ouvertures 16 sur sa face supérieure et inférieure permettant entre autres une circulation de l'air. La fixation des ressorts thermiques 12 sur la cuve en acier 1 se fait par exemple à l'aide de coulisses ou de vis. Dans ce dernier cas, le côté du ressort thermique dirigé vers la cuve d'acier 1 comporte des fentes 17 qui permettent le coulissement des éléments de fixation 13. Dans le mode de fixation à l'aide de rails 13a (indiqués sur la figure 3), des dé crachements en forme d'aile viennent de forme sur deux arêtes longitudinales voisines du ressort thermique 12, déccrochementsqui s'insèrent, à la façon d'un écrou et d'un ressort, dans les rails 13a. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cuve pour électrolyse, en particulier pour la fabrication d'aluminium par électrolyse du bain de fusion, comportant un habillage de parois latérales essentiellement constituées de carbone ou autre matériau semblable et une disposition de blocs catho- diques, une masse compactée étant éventuellement interposée entre l'habillage des parois et les blocs cathodiques, ainsi que les élé- ments de renfort qui enserrent la cuve, caractérisée en ce que les renforts disposés sur les parois latérales de la cuve (1) ont la forme d'éléments (12) de renfort limitant élastiquement la pression provenant de la dilatation thermique de la cuve et sont disposés, avec possibilité de déplacement, au moyen de dispositifs de fixation (13). 2. Cuve pour l'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments de renfort (12) ont la forme de profils creux pour former ce que l'on appelle des ressorts ther- miques. 3. Cuve pour électrolyse selon l'ensemble des reven- dications I et 2, caractérisée en ce que les ressorts thermiques (12) en forme de profilscreux présentent des ouvertures longitudinales (16). 4. Cuve pour électrolyse selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée en ce que les ressorts thermiques (12) sont fixés contre les parois latérales de la cuve (1), avec possibilité de déplacement, a-i moyen de vis ou de glissières qui peuvent coulisser dans des lumières (17). 5. Cuve pour électrolyse selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisée en ce que les ressorts thermiques (12) sont fixés, avec possibilité de déplacement, au moyen de déccro- chements en forme d'aile venus de forme sur des arêtes longitudinales voisines et qui s'insèrent, à la façon d'un écrou et d'un ressort, dans les rails fixés sur les parois latérales de la cuve (1). 6, Cuve pour électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les ressorts thermiques (12) sont disposés au-dessus des barreaux cathodiques (4) qui con- duisent au blocs cathodiques. 7. Cuve pour électrolyse selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisée en ce que les ressorts thermiques (12) sont constitués de deux matériaux différents à coefficients de dilatation thermique différents, le côté situé contre la paroi de la cuve présentant le plus grand coefficient de dilatation thermique et le côté opposé présentant le plus petit. 8. Cuve pour électrolyse selon l'une quelconque des - reyendications I à 7, caractérisée en ce que dans le plancher de la cuve (1) est prévue au moins une longueur de dilatation (11) constituée par exemple d'une voussure en forme de pl . 9. Cuve pour électrolyse selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisée en ce que les angles (17) de la cuve (1) forment une voussure vers l'extérieur, avec éventuellement renfort au voisinage de la voussure. 10. Cuve pour électrolyse selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'en projection horizontale la longueur des quatre voussures des angles (18) est, avec la longueur de la paroi latérale de la cuve (1), dans le rapport 1/3 à 1/10.