Brevet FR2482628A1 — publié le 19811120

La I > résent( invention concerne la fabrication d'aluminium et en constitue un perfectionnement. On fabrique en général l'aluminium dans une cellule d'électrolyse de Hall-Heroult. Une cellule d'électrolyse destinée 3 la fabrication de l'aluminium a un revêtcment de carbone placé sur le fond horizontal et constituant une cathode, all moins une anode de carbone descendant verticalement vers la cathode, et des parois latérales revêtues de carbone. Lors de l'utilisation de la cellule d'électrolyse, l'alumine se dissout dans un bain de cryolite fondue et est décomposée par un courant électrique de très forte intensite.On a déjà proposé la réalisation du revêtement des parois latérales par des blocs de carbone de conductibilité thermique élevée, mais ils ont l'inconvénient de présenter une faible résistivité électrique si bien que la circulation nécessaire d'une quantité élevée d'énergie électrique d'une ou plusieurs anodes de carbone vers le fond de la cellule en est affectée, c'est-à-dire que le courant est dévié vers les parois latérales. On a constaté qu'il était avantageux que la température du bain-d'aluminium soit réglée afin que le rendement de production soit optimal, et aussi qu'une croûte de cryolite solidifiée soit toujours pré- sente sur les parois latérales. Cette dernière caractéristique assure à la fois l'étanchéité des parois latérales et la réduction de l'usure du revêtement. Ces deux facteurs peuvent affecter la productivité.On a dû jusqu'à présent réduirc la température du bain afin que la formation de cryolite soit assurée, par soulèvement de -l'anode avec une perte corrcsponcìante de production. L'illvtntion concerne un procédé de fabrication d'aluminium par fusion dans une cellule d'électrolyse, ce procédé comprenant la variation du débit d'enlèvement de chaleur ;d travers la paroi ou les parois de la cellule, suivant la tempFraturc ou les plages de températures régnant dans la cellule.Le débit de retrait de chaleur peut être réglé automaticluement par des capteurs thermiques ou par d'autres dispositifs disposés dans la paroi ou les parois cie la cel lu le. Le retrait dc chaleur est de préférence assuré à l'aide de tubes caloporteurs ou de chaleur (c'est-à-dire des ensembles assurant une ébullition et une condensation à basse pression), et dans ce cas, le procédé peut comprendre le réglage automatique du débit d'un fluide de refroidissement sur les extrémités de condensation (c'est-àdire de retrait de chaleur) de ces tubes caloporteurs.Dans une variante, le procédé peut comprendre le réglage des positions de ces tubes caloporteurs, c'est-à-dire le réglage de la distance de dépassement des extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) dans Ia paroi ou les parois latérales de la cellule1 sous la commande de capteurs thermiques ou en référence à de tels capteurs. L'invention concerne-aussi une cellule d'électrolyse destinée à la fabrication d'aluminium, ayant un revêtement de carbone constituant une anode et placé sur un fond horizontal, au moins une anode de carbone descendant verticalement vers la cathode, et des parois latérales revêtues de carbone, un dispositif étant destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur à travers la paroi ou les parois de la cellule suivant la température ou les plages de températures régnant dans la cellule. Le dispositif destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur peut comprendre des capteurs thermiques placés dans la paroi ou dans les parois de la cellule ou à d'autres endroits de celle-ci.Les tubes caloporteurs, c'est-à dire des ensembles assurant une ébullition et une condensation à basse pression, pénètrent de préférence dans la paroi ou les parois du four et sont destinés à extraire dc la chaleur dc la cellule et, dans ce cas, la variation du débit de retrait de chaleur peut être assurée par un dispositif destiné à régler un débit de fluide d. refroidissement sur les extrémités de condensation (c'est-à-dire du retrait de chaleur) des tubes calnl > orteurs. Dans une va- riante, la variation du débit de retraitdv chaleur ptUt être assurée par un dispositif de réglage des positions des tubes caloporteurs, c'est-à-dire un .lisps,sitif de lé- glage de la distance dc pénétration des extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) dans la paroi ou les parois latérales de la cellule. La variation du débit de retrait de chaleur peut être. assurée à peu près automatiquement, le dispositif de réglage pouvant être sous la commande de capteurs thermiques placés dans la paroi ou les pdrois. D'autres caractéristiques et avantages de l'inyen- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, -faite en référence au dessin annexé- -sur lequel - la figure 1 est une coupe en élévation latérale d'une cellule d'électrolyse selon l'invention destinée à la production d'aluminium ; et - les figures 2 à 4 sont des schémas de diverses variantes de la cellule de la figure-l. La cellule d'électrolyse représentée sur la figure 1 et destinée à la fabrication d'aluminium, comporte une enveloppe externe formée d'une caisse 10 d'acier ayant une base de briques isolantes 12 et des parois latérales 14 de carbone formant un récipient et un support. Des blocs de carbone sont jointoyés les uns aux autres à l'aide d'unepâte convenable, à l'intérieur de l'enveloppe revêtue, afin qu'ils forment le fond 16 qui délimite un bain peu profond, les blocs du fond constituant une cathode lorsque la cellule fonctionne. Les blocs du fond sont déposés sur de la poudre d'aluminium ou une autre matière isolante 18, et l'espace compris entre les blocs du fond et les parois latérales de carbone est rempli par une matière damée. 20. Un ensemble anodique est formé pal plusieurs blocs 22 de carbone préalablement cuits (on n'en a représenté que deux sur la figure I) descendant verticalement d'un support non représenté. Lorsque la cellule fonctionne, ur, électrolyte contenant en grande partie de la cryolite fondue, est con- tenu par le bai: peu profond délimité par les blocs 14 est carbone, et un courant électrique très intense circule e anode à la cathode. La cellule fonctionne à une tempéra- ture de l'ordre de 1000 C Un dispositif est destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur à travers les parois de la cellule en fonction de la température ou des plages de températures ré gnant-dans la cellule.Un dispositif de retrait de chaleur comporte plusieurs tubes caloporteurs 24 (c'est-à-dire des ensembles assurant une ébullition et une condensation à basse pression) qui pénètrent dans les parois du four et sont destinés à extraire la chaleur de la cellule, ces tubes caloporteurs étant fixés au mortier dans les parois latérales 14 de carbone afin que la conductibilité thermique soit bonne. La variation du débit de retrait de chaleur parles tubes caloporteurs est assurée à peu près automatiquement par un dispositif de réglage du débit d'un fluide de refroidissement s'écoulant sur les extrémités de condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs qui dépassent en dehors de la paroi de la cellule. Sur la figure, les extrémités de condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs traversent une série d'ailettes 26 de refroidisse-ment distantes des parois externes de la cellule. Un ventilateur entrains par un moteur non représenté est destiné à faire circuler de l'air de refroidissement le long des espaces délimitées entre les ailettes. Des capteurs thermiques placés dans les parois de la cellule ou d'autres dispositifs non représentés règlent la commutation par tout ou rien du ventilateur.En conséquence, le refroidissement s'effectue suivant deux niveaux, l'un correspondant à un débit relati- vement faible de retrait de chaleur lorsque la circulation de l'air de refroidissement sur les extrémités de condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs n'cst assurée que par les courants de convection de l'air, alors que le débit dc retrait de chaleur est plus élevé lors d'unecirculation forcée de l'air de refrotdissement. Ainsi, l'invention concerne une cellule d*61ec-- trolysc destiné: la fabrication cl'aluminium qui est per- fectionnée' par rapport aux cellules utilisées jusqu'à pré- sent étant donné qu'elle permet tin meilleur réglage de i i température dans la cellule. Ccpcndant, diverses modifications sont possibles. Par exemple, la variation du débit de retrait de chaleur de la cellule peut être assurée non par commutation par tout ou rien d'un ventilateur entrarné par un moteur, destiné à souffler de l'air entre des ailetes -de. refroidissement 26, mais par un dispositif de réglage d'un système de cloison permettant d'obtenir une efficacité maximale ou moindre d'une circulation forcée d'air de refroidissement.Dans une variante, le dispositif destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur par les parois de la cellule, peut être formé non par un dispositif de réglage du débit d'un fluide de refroidissement circulant sur les extrémités de condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs, mais par un dispositif de réglage automatique des positions de ces tubes caloporteurs, c'est-à-dire de réglage automatique de la distance de pénétration des extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) dans les parois latérales de la cellule, un tel dispositif de réglage étant aussi avantageusement sous la commande de capteurs thermiques placés dans les parois de la cellule ou à un autre empLacement. Dans ce dernier cas, les extrémités d'évaporation Sabsorp- tion de chaleur) des tubes caloporteurs sont. montées de ma nière qu'elles puissent coulisser dans des manchons métalliques et ceux-ci sont maintenus par un mortier dans les parois latérales de carbone de la cellule afin que la conductibilité thermique soit bonne. Diverses autres variantes sont possibles. Par exemple, la figure 2 représente une disposition dans laquelle les tubes caloportcurs 24 sont placés verticalement dans le revêtement de carbone des parois latérales de la cellule. Les extrémités supérieures des tubes caloporteurs passent à travers des ailettes de refroidissement. La figure 3 reprd- sente une variante possible de ceste disposition, les ex trémités dc condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs ('tant refroidies par de l'eau qui circule dans une double envel oppt' 28 reprEsentbe aut autour d'une extrémité cx- tcrnc d'un tube caloporteur, avec des tuyauteries 30 et 32 d'entrée et de sortie qui permettent la circulation de l'eau de refroidissement.La figure 4 représente une dis- position analogue dans laquelle une double enveloppe 28 de circulation d'eau entoure une extrémité externe d'un tube caloporteur 24 disposé horizontalement dans la paroi du four. il faut évidemment noter que, dans les deux cas, la double enveloppe d'eau représentée peut être relativement petite et peut être associée à un-seul tube caloporteur ou peut avoir une forme allongée afin que plusieurs tubes caloporteurs y pénètrent ou la traversent.Lorsqu'on utilise un refroidissement par eau, le dispositif destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur à travers les parois de la cellule peut comporter une vanne disposée de manière que, lorsque le débit de retrait de chaleur doit être réduit, une partie de l'eau chaude provenant d'une ou plusieurs doubles enveloppes circule à nouveau.En conséquence, la dfférence de température e-ntre les. extremités opposEes des tubes caloporteurs est réduite si bien que ces tubes ne travaillent pas à leur capacité maximale. I1 est évidemment préférable que le débit de retrait de chaleur varie automatiquement, c'est-à-dire par exemple qu'un ventilateur soit commuté par tout ou rien ou que la position des tubes caloporteurs soit réglée directement par des capteurs thermiques. Cependant, l'invention concerne aussi le cas où la commutation par tout ou rien d'un ventilateur ou les réglages de la position des tubes caloporteurs sont effectués manuellement, par un opérateur qui se réfère à'un thermomètre relié aux capteurs thermiques. On constate que de nombreux tubes caloporteurs ne travaillent pas avec un rendement optimal lorsqu'ils sont placés horizontalement. En conséquence, il faut noter que, dans les arrangements représentés sur les figures 1 et 4, il est avantageux que chaque tube caloporteur ait sa partie de condensation (retrait de chaleur) à un niveau supérieur à celui de l'extrémité d'évaporation (absorption de chaleur) c'est-à-dire que les tubés caloporteurssoient inclines dans une certaine mesure afin que leur rendement soit accru. La position~ des tubes caloporteurs individuels est très importante. Lorsque les extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) des tubes caloporteurs sont trop proches de l'intérieur de la cellule délectrolys , les tubes sont rapidement grillés. Inversement, s'ils sont trop éloignés de l'intérieur de la cellule, ils ne fonctionnent pas efficacement et n'assurent pas le retrait de la quantité nécessaire de chaleur. On choisit le nombre et l'espacement des tubes caloporteurs en fonction de la cellule d'électrolyse particulière. Ces paramètres ainsi que l'espacement des tubes caloporteurs individuels par rapport à l'intérieur de la cellule et l'inclinaison, sont des facteurs qui peuvent être déterminés empiriquement. On peut obtenir une certaine indication sur le nombre de tùbes caloporteurs nécessaires par estimation de la quantité de chaleur à extraire de la cellule et par calcul à partir des propriétés de transmission ae chaleur des tubes caloporteurs utilisés (Ces y-o2ltéLés étant habituellement publiées par les fabricants ou pouvant etre mesurées). On peut mesurer les températures dans les parois de la cellule, par exemple avec un thermocouple introduit dans un petit trou forméans le mur, et les tempéra- tures observées constituent un guide pour la sélection de la distance séparant les extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) par rapport à l'intorieur de la cellule. j REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'aluminium-par fusion dans une cellule d'clectrolyse, caractérisé en ce que le débitde retrait de chaleur à travers la paroi ou les parois de la cellule est modifié en fonction de la température ou des plages destempératures régnant dans la-cellule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de retrait de-chaleur est réglé automatiquement par des capteurs thermiques ou un autre dispositiff placés dans la paroi ou les parois de la cellule. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le retrait de chaleur est assuré par des tubes caloporteurs, c'est-à-dire des ensem bes assurant une ébullition et une condensation à basse pression. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce-qu'il comprend le réglage automatique du débit d'un fluide de refroidissement circulant sur les extrémités de condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs. 5. Procédé selon la revendication-3, caractérisé en ce qu'il comprend le réglage des positions des tubes caloporteurs, c'est-à-dire le réglage de la distance de péné-tration des extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) dans la paroi ou les parois de la cellule, sous la commande de capteurs thermiques ou en référence à de tels capteurs. 6. Cellule d'électrolyse destinée à la fabrication d'aluminium, du type qui comprend un revêtement (18) de carbone formant un fond horizontal et constituant une cathode, au moins une anode (22) de carbone descendant verticalement vers la cathode, et des parois latérales (14) revêtues de carbone, ladite cellule étant caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur à travers la paroi ou les parois (14) de la cellule en fonction de la température ou des plages de températures régnant dans la cellule. 7. Cellule selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif destiné à faire varier le débit de retrait de chaleur comprend des capteurs thermiques placés dans la paroi ou les parois de la cellule ou à un autre emplacement dans celle-ci. 8. Cellule selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce quelle comporte des tubes caloporteurs (24) (c'est-à-dire des ensembles assurant une ébullition et une condensation à basse pression) pénétrant dans la paroi ou les parois (14) de la cellule afin qu'ils retirent de la. chaleur de celle-ci. 9. Cellule selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de variation du débit de retrait de chaleur est un dispositif de réglage du débit -d'un fluide de refroidissement circulant sur les extrémités de condensation (retrait de chaleur) des tubes caloporteurs. 10. Cellule selon la revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de variation du débit de- retrait de chaleur est un dispositif de réglage des positions des tubes caloporteurs, c'est-à-dire un dispositif de réglage de la distance de pénétration des extrémités d'évaporation (absorption de chaleur) dans la paroi ou les parois de la cellule. 11. Cellule selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisée en ce que le dispositif de-variation du débit de retrait de chaleur fonctionne automatiquement sous la commande de capteurs thermiques placés dans la paroi ou dans les parois de la cellule.