Brevet FR2471425A1 — publié le 19810619

La présente invention concerne l'agencement de la cathode d'un four ou cuve d'électrolyse ignée pour l'élaboration de métaux, en particulier l'aluminium. Pour produire l'aluminium par électrolyse d'oxyde d'aluminium, on dissout celui-ci dans un bain de fluorures formé en majeure partie de cryolithe. L'aluminium libéré à la cathode se rassemble sous le bain de fluorures sur le fond de carbone de la cuve, la surface de ce dép8t d'aluminium liquide formant la cathode. Dans le bain plongent, d'en haut> des anodes fixées à des poutres porte-anodes et formées de carbone amorphe dans le procédé conven- tionnel. La décomposition électrolytique de l'oxyde d'aluminium pro- duit de l'oxygène sur les anodes, lequel est combiné avec le carbone de celles-ci pour former du CO2 et du CO. L'électrolyse s'effectue généralement dans une plage de température d'environ 940 à 97000, L'électrolyte s'appauvrit au cours de l'électrolyse en oxyde d'aluminium et, à une concentration limite inférieure d'environ 1-2 % en poids d'oxyde d'aluminium dans l'électrolyte, il se produit brusquement l'effet anodique, provoquant une élévation brutale de la tension, par exemple de 4-4,5 V à 30 V et plus. C'est au plus tard à ce moment que la croûte formée d'électro- lyte solidifié doit être brisée et que la concentration en oxyde d'aluminium doit être relevée par l'addition d'oxyde d'aluminium (alumine) frais. En marche normale, le four d'électrolyse est habituel- lement desservi périodiquement, même en l'absence d'effet anodique, par la brisure de la croûte et l'addition d'alumine. On sait que, lorsque les intensités du courant élec- trique sont élevées, supérieures à 50 kh (kiloampères) par exemple, les effets combinés de composants verticaux du champ magnétique et de composants horizontaux du courant électrique peuvent conduire à des déformations indésirées de la surface du dépôt métallique et à des courants de métal trop forts. Si les distances interpolaires sont faibles, ces déformations peuvent devenir si grandes que l'aluminium touche les anodes et provoque des courts-circuits. La turbulence de la surface, résultant de son enflure, conduit en outre à une dissolu- tion chimique accrue de l'aluminium dans le bain d'électrolyse et à une formation de brouillard d'aluminium, dont on sait qu'il diminue le rendement du courant électrique. Il est de ce fait impossible de travailler avec des distances interpolaires inférieures à une certaine limite critique. D'un autre c6té, la perte en énergie électrique est d'autant plus importante que la distance interpolaire est grande, avec la même densité de courant. La diminution de la densité de cou- rant serait en principe avantageuse mais elle nécessiterait un accrois- sement prohibitif du coût d'investissement pour les fours et la halle dans laquelle ils doivent être installés. A c8té de mesures et de constructions diverses pour réduire les composants verticaux du champ magnétique et les compo- sants horizontaux du courant électrique, on connaft aussi des sys- tèmes de cathode susceptibles d'être mouillés par l'aluminium, qui ne présentent qu'une mince couche d'aluminium, laquelle est donc peu mobile dans le sens vertical du système ou construction de cathode, si bien que les déformations classiques de la surface d'alu- minium - aussi bien les enflures statiques que les vagues - sont sup- primées en majeure partie. Les matériaux pouvant être mouillés employés dans ces constructions sont toutefois très coûteux et ils doivent encore fournir la preuve de leur durabilité. L'inconvénient le plus sérieux de ces dispositifs cathodiques est cependant que la circula- tion de l'électrolyte entre anode et cathode est rendue plus diffi- cile, de sorte que le bain de cryolithe s'appauvrit en alumine à la libération d'aluminium et que la cuve devient sujette aux effets ano- diques. Selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 4 071 420, on améliore la circulation de la cryolithe fondue par des éléments cathodiques, sous forme de tubes fermés en bas, qui, dans la région des anodes, dépassent de l'aluminium fondu qui s'est rassemblé sur toute l'aire restante du fond de la cuve. Les tubes sont entièrement remplis d'aluminium et la distance interpolaire peut être tenue faible. Les nouvelles quantités de métal formées par électrolyse s'écoulent dans un puits à aluminium situé plus bas. Dans les tubes mentionnés - fermés en bas - et le fond cathodique doit exister une liaison électrique: elle peut être établie du fait que le tube est en matériau conducteur ou du fait que l'alu- 2471 425 minium est en contact direct avec le fond conducteur du four. Sans parler de la fabrication difficile donc coûteuse des tubes pouvant être mouillés, cette disposition n'est efficace que si les surfaces d'aluminium dirigées vers les anodes sont petites. Cela revient à dire que le rapport entre la surface de matériau pouvant être mouillé et la surface cathodique est élevé, de sorte qu'il n'y a pas d'éco- nomies comparativement à d'autres cathodes connues de matériaux sus- ceptibles d'être mouillés. L'invention vise donc à créer un dispositif cathodique pour un four d'électrolyse ignée servant à la production de métaux, en particulier d'aluminium> qui immobilise la surface de métal agis- sant comme cathode avec un rapport nettement plus favorable entre le coût d'investissement de la construction cathodique et la surface d'aluminium agissant comme cathode. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le métal liquide contenu dans le creuset du four se trouve à une dis- tance interpolaire de 10 à 25 ma des anodes et contient, exception faite de sa couche supérieure librement mobile d'une épaisseur d'au moins 2 mm, un matériau grenu ou en morceaux, qui est déversé en vrac sur le fond de la cuve et est solide et inerte à la température de travail de la cuve, Il est essentiel que ce matériau n'émerge jamais du métalfondu pour faire saillie dans l'électrolyte fondu.-La couche supérieure de métal, recouvrant le matériau, a de préférence une épaisseur de 2 à 3 mmi Pour prélever le métal liquide du four d'élec- trolyse, celui-ci comportera généralement au moins un puisard non recouvert par le matériau en vrac. Ce matériau peut être chargé dans le creuset par un manipulateur de fours ou un autre véhicule de ser- vice mais il est possible aussi de prévoir un dispositif en soi connu sur.le four pour rajouter du matériau chaque fois que cela est néces- saire. La grosseur ou le calibre des grains, fragments ou morceaux du matériau peut être compris entre 0,1 et 100 mm, mais il doit dans tous les cas être inférieur à la moitié de l'épaisseur de la couche de matériau couvrant le fond, épaisseur qui sera générale- ment comprise entre 10 et 100 mm, de préférence entre 10 et 50 mm. Le métal fondu pénètre dans les vides et, éventuellement, les pores du matériau. Le mouvement du métal est ainsi freiné mécaniquement, sauf dans sa couche supérieure libre. Une vague de métal, risquant de compromettre la marche du four, ne peut pas se former en raison du freinage produit par le matériau - bon marché - disposé sous la surface du métal. Des exemples de tels matériaux sont, d'une part, des composés métalliques conducteurs pouvant être mouillés parl'alu- minium, tels que TiB TiC, TiN. ZrB ZrC ZrN et leurs mélanges, d'autre part, des matériaux mauvais conducteurs qui résistent à l'alu- minium et ont une plus forte densité que l'aluminium fondu, tels que le carbure de silicium lié au nitrure de silicium ou l'oxynitrure de silicium. Il est possible de laisser s'étaler le matériau en vrac contenu dans le métal liquide de façon homogène sur tout le fond du four, mais on peut également prévoir des cloisons formant des clôtures ou des barrières, qui s'élèvent jusqu'à proximité de la surface dirigée vers les anodes du matériau fragmentaire. Le matériau est ainsi partagé en zones et sa mobilité est freinée par les cloisons* lesquelles peuvent être fermées ou pourvues d'interruptions. Les cloisons partageant le matériau peuvent être faites d'un matériau se laissant bien ou moins bien mouiler par l'aluminium (de carbure de silicium lié au nitrure de silicium ou de carbone par exemple) et elles peuvent électriquement être conductrices ou non. Il importe cependant que ces cloisons aient une bonne tenue à la dis- solution et à l'érosion dans l'aluminium liquide à la température de service. Afin de réduire les composants horizontaux du courant électrique, des parties du fond de four en contact avec le métal liquide et situées en dehors des projections verticales des anodes peuvent être recouvertes d'un matériau mauvais conducteur électrique et compatible avec l'aluminium. Cela a pour effet que le courant est seulement évacué de l'aluminium dans les régions situées direc- tement sous les anodes. Les caractéristiques essentielles de l'invention seront décrites plus en détail relativement au dessin annexé, montrant des coupes verticales schématiques de cuves d'électrolyse ignée. Sur ce dessin - la figure 1 est une coupe longitudinale partielle d'une cuve à arrivée du courant par en bas; et - la figure 2 est une coupe transversale d'une cuve à arrivée du courant sur le côté. Sur le fond de carbone 10 de la figure 1, dans lequel sont noyées les barrescathodiques 12, se trouve une couche d'alumi- nium liquide 14 libéré par électrolyse et formant la cathode. Sur le fond de carbone 10 se trouve également du matériau solide en morceaux 16, qui a été déversé en vrac sur le fond et se trouve à une distance a d'au moins 2 à 3 mm de la surface de l'aluminium. Cette distance a revêt une grande importance parce que le matériau 16 ne doit en aucun cas faire saillie dans l'électrolyte 18. Le matériau 16 est partagé en zones par des cloisons 20 qui s'étendent presque jusqu'à la surface de ce matériau et que le métal liquide peut traverser. Grâce à l'immobilisation par le matériau en morceaux 16 de la surface d'aluminium agissant comme cathode la distance inter- polaire d entre l'aluminium liquide 14 et l'anode 22 peut être ré- duite à 10-25 mm. La cuve d'électrolyse représentée sur la figure 2 cons- titue un exemple pour la mise en oeuvre de l'invention dans le cas d'une arrivée de courant latérale. Le creuset 24 de cette cuve peut être en carbone mais il peut également être en béton, ce qui est plus avantageux. Ce creuset est traversé latéralement par des éléments d'arrivée de courant cathodiques 26 - en aluminium ou en cuivre par exemple - qui sont munis de cathodes 28 électriquement conductrices d'un matériau qui résiste à l'aluminium liquide 14, en TiB2 par exemple. Le système 26, 28 d'arrivée latérale du courant permet de réduire la chute de tension et d'accroître la durée de service du creuset, sur- tout lorsque celui-ci est en béton. L'arrivée de courant latérale permet en outre des densités de courant plus fortes, ce qui produit des vitesses d'écoulement plus élevées dans la couche supérieure libre de l'aluminium liquide 14. Du fait que la cuve présente un fond 30 qui est incliné, le métal libéré s'écoule vers un puisard, lequel n!est pas rempli de matériau en morceaux. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Dispositif cathodique pour un four ou une cuve d'élec- trolyse ignée servant à la production de métaux, en particulier d'alu- minium, caractérisé en ce que le métal liquide (14) contenu dans le creuset du four se trouve à une distance interpolaire (d) de 10 à mm des anodes (22) et contient, exception faite de sa couche supérieure librement mobile d'une épaisseur d'au moins 2 mm, un maté- riau grenu ou en morceaux (16), qui est déversé en vrac sur le fond (10) de la cuve et est solide et inerte à la température de travail de la cuve. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau (16) est comprise entre 10 et mm, de préférence entre 10 et 50 mm. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la grosseur ou le calibre des grains, fragmpents ou morceaux du matériau (16) est compris entre 0,1 et 100 mm mais est inférieur à la moitié de l'épaisseur de la couche de matériau (16). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau (16) est formé d'un ou plu- sieurs matériaux métalliques conducteurs qui se laissent bien mouil- ler par l'aluminium, de préférence de TiB2, TiC, TiN, ZrB2, ZrC et/ou ZrN. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau (16) est formé d'un ou plusieurs matériaux mauvais conducteurs électriques et résistant à l'aluminium, dont la densité est supérieure à celle de l'aluminium, de préférence de carbure de silicium lié au nitrure de silicium ou d'oxynitrure de silicium. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de matériau (16 est partagée en zones par des cloisons (20), formant des clôtures ou des barrières, qui s'élèvent jusqu'à proximité de la surface dirigée vers les anodes de la couche de matériau (16) et qui sont perméables au métal liquide. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fond de cuve (10),en contact avec le métal liquide (14), est recouvert. en dehors des projections verti- cales des anodes (22), d'un matériau mauvais conducteur électrique et compatible avec l'aluminium. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau mauvais conducteur est du nitrure de silicium, du carbure de silicium, du carbure de silicium lié au nitrure de sili- cium ou de l'oxynitrure de silicium. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche supérieure librement mobile du métal liquide (14) a une épaisseur de 2 à 3 mm.