Brevet FR2483965A1 — publié le 19811211

-1- PROCEDE ET APPAREILLAGE DE CONTROLE DE L'ALIMENTATION EN ALMINE D'UNE CELLULE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR ELECTROLYSE La présente invention concerne un procédé et un appareillage de contrôle de l'alimentation en alumine d'une cellule pour la production d'alumi- nium par électrolyse selon le procédé Hall-Héroult. On connaît des moyens d'alimentation permettant de fournir de l'alumine à une cellule électrolytique produisant de l'aluminium. Ils ont été dé- crits, en particulier, dans les brevets français 1 245 598, I 526 766, 2 036 896, 2 099 434, 2 264 098 et dans les brevets américains US 3 400 062, 3 681 229. Les appareils utilisés habituellement permettent le transport de l'alumi- ne à un ou plusieurs points d'alimentation par cellule: l'alumine est versée sur la croûte qui se forme à la surface de l'électrolyte et elle est introduite dans l'électrolyte par des coups d'un plongeur qui des- cend périodiquement et brise la croûte ou maintient le trou ouvert, auquel cas l'alumine est déversée directement dans l'électrolyte fondu. En général, la descente du plongeur est temporisée. La course du plongeur est normalement de longueur fixe et déterminée par le système mécanique qui assure son mouvement vertical. Un tel dispositif présente des inconvénients. Selon la dureté de la croû- te et le niveau de la surface libre de l'électrolyte, qui peut varier de plusieurs centimètres, il y a un double risque: si la durée de descente est trop courte et(ou) la course du plongeur insuffisante, la croûte n'est pas brisée et l'alumine ne peut pas pénétrer dans l'électrolyte. Si la durée de descente est trop longue et(ou) la course du plongeur exces- sive, une partie du plongeur va s'immerger pendant un certain temps dans l'électrolyte fondu. Il en résulte la formation d'une croûte sur la surface du plongeur qui peut grossir aux opérations suivantes et qui crée des problèmes de fonc- tionnement et provoque l'usuoe progressive du plongeur. Un autre problème est celui du refroidissement local de l'électrolyte au 2- point d'alimentation. Il est fréquent que, lorsqu'une des anodes voisi- nes de l'orifice d'alimentation vient d'être changée et n'a pas encore atteint son équilibre thermique, l'électrolyte se solidifie complètement au point d'alimentation. L'alumine déversée n'est pas introduite dans le bain et elle accentue encore le refroidissement local de l'électrolyte. Dans ce cas, il serait souhaitable d'arrêter l'alimentation à ce point et, éventuellement d'intensifier l'alimentation des autres points s'ils existent. Mais cela n'est généralement pas possible par manque de systè- me de détection automatique de ce défaut. Le but de l'invention est de permettre, d'une part, d'ajuster automatique- ment la course du plongeur au niveau de la surface de lélectrolyte fon- du et, d'autre part, de détecter la solidification locale de l'électro- lyte au point d'alimentation concerné. Un premier objet de l'invention est un procédé de contrôle de l'alimenta- tion en alumine d'une cellule pour la production d'aluminium par élec- trolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, l'alimentation étant assurée par tout dispositif connu de stockage, de mesure et de transfert de l'alumine à au moins un orifice maintenu ouvert dans la croûte qui se forme à la surface de l'électrolyte et dans lequel peut pé- nétrer un plongeur mobile, caractérisé en ce que l'on anime le plongeur d'un mouvement alternatif de montée et de descente sensiblement vertical, et en ce que l'on détecte, à chaque mouvement de descente, si le plongeur est entré en contact avec de l'électrolyte fondu ou avec de l'électrolyte solidifié. La détection du contact entre le plongeur et l'électrolyte est réalisé par la mesure de la tension électrique entre le plongeur et un point de la cellule pris comme potentiel de référence, ce point étant, de préfé- rence, le conducteur négatif de la cellule. En outre, le plongeur est isolé électriquement par rapport à la super- structure de la cellule à laquelle il est fixé. En position de repos, le plongeur est mis au potentiel de la barre néga- -tive ou d'un autre point de la cuve qui sert comme référence de poten- -3- tiel électrique, au moyen d'une résistance électrique de valeur convena- ble. L'apparition sur le plongeur du potentiel del'électrolyte fondu au pre- nier contact entre les deux éléments sert d'information pour remonter le plongeur. Si, à l'expiration d'un temps de descente prédéterminé du plongeur, il n'y a pas eu détection du contact électrique entre le plongeur et l'élec- trolyte, l'automatisme donne au moins un des ordres suivants: remontée du plongeur, d'arrêt de l'alimentation d'alumine en ce point, d'augmen- tation de la puissance électrique de la cellule et, éventuellement, d'augmentation de la cadence d'alimentation aux autres orifices de la cellule. Un autre objet de la même invention est un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé de contrôle de l'alimentation en alumine comportant à chaque orifice d'alimentation un plongeur mobile électriquement isolé de la superstructure de la cellule et dont au moins l'extrémité est élec- triquement conductrice, et un moyen de mesure du potentiel entre l'extré- mité du plongeur mobile et un point de la cellule pris comme potentiel de référence. Il comporte, en outre, une résistance pour porter le plon- geur mobile au potentiel élastique de référence. Il comporte également un moyen pour élaborer, à partir de la mesure du potentiel du plongeur, au moins un des ordres suivants - remontée du plongeur, - arrêt de l'alimentation en alumine à un orifice, augmentation de l'alimentation en alumine aux autres orifices, augmentation de la puissance électrique fournie à la cellule, - maintien de la cadence d'alimentation en alumine. La mise en oeuvre de l'invention est décrite sur les figures 1 à 3. La figure 1 présente une coupe d'une cellule électrolytique destinée à produire de l'aluminium par le procédé Hall-Héroult. Les figures 2 et 3 représentent le fonctionnement du plongeur dans les -4cas o l'électrolyte est fondu (fig. 2) ou solidifié (fig. 3) au point d'introduction de l'alumine. La cellule, qui est du type à "anode précuite", comprend un revêtement isolant (1), un revêtement en carbone (2) qui est la cathode de la cel- lule, un bain d'aluminium fondu (3), un bain d'électrolyte fondu (4) au- dessus duquel il se forme une croûte (5) par solidification d'électroly- te, des anodes précuites en carbone (6), immergées dans l'électrolyte, une (ou plusieurs) barres dites positives>en aluminium (7),qui répartis- sent le courant électrique aux anodes, des barres dites cathodiques (8), en fer, scellées dans la cathode (2), qui permettent la sortie du cou- rant électrique de la cathode, une (ou plusieurs) barres dites négati- ves (9) qui collectent le courant des barres cathodiques (8), une super- structure (14) o sont fixés les mécanismes de réglage de la position des anodes (6) et d'autres dispositifs de régulation, d'alimentation, de con- trôle, de collection des gaz et des poussières émis par la cellulecon- formes à l'état actuel de la techniqueet des isolations électriques (10) entre la superstructure et la cathode de la cuve du fait que la supers- tructure se trouve au même potentiel électrique que les anodes. La liaison mécanique entre la superstructure (10) et les anodes (6) n'a pas été représentée, pour ne pas surcharger le dessin. Dans le cas des cellules à alimentation ponctuelle, la cellule possède un ou plusieurs plongeurs (12) comprenant un mécanisme de déplacement vertical permettant de briser périodiquement la croûte (5) au point d'alimentation pour que l'alumine, qui est amenée par une canalisation (16), puisse pénétrer dans l'électrolyte fondu (4). Le dispositif de stockage, de mesure et de transfert d'alumine n'est pas indiqué. Ce dispositif peut être fixé sur la superstructure (14) ou à l'extérieur de la cellule, de façon connue. Chaque plongeur (12) est fixé sur la superstructure (14) au moyen d'une isolation électrique (13). Un câble électrique connecté (15) au plongeur et un deuxième câble con- necté (19) à la barre négative (9) permettent de fournir à l'entrée d'un coffret d'automatisme (17) la tension entre le plongeur et la barre né- gative. Une résistance (18) électrique connectée en parallèle à l'entrée de l'automatisme permet de régler la sensibilité du système. Sa valeur -5- n'est pas critique. Elle peut être, par exemple, de l'ordre d'une cen- taine d'ohms. La tension entre la barre positive et la barre négative est mesurée à l'aide d'un voltmètre (11) et contrôlée par un système classique qui n'est pas représenté et ne fait pas partie de l'invention. En état de marche normale de la cellule, la tension entre la barre posi- tive (7) et la barre négative (9) est de 4 volts environ, l'énergie électrique étant fournie par une source de courant redressé, qui n'est pas représentée sur les figures. Le potentiel électrique du point (21) situé à la surface libre de l'élec- trolyte fondu, en considérant comme référence le potentiel de la barre négative est de l'ordre de 3,8 volts. Le potentiel de l'électrolyte au point (22) situé à la surface du bain d'aluminium fondu est de l'ordre de 0,3 volt. Entre les points (21) et (22), le potentiel a des valeurs intermédiaires. En position haute de repos, le plongeur se trouve au potentiel de la bar- re négative par l'intermédiaire de la résistance (18). La tension à l'entrée du coffret d'automatisme (17) est nulle. Bien entendu, le choix de la barre négative comme référence de potentiel électrique est arbitraire et il serait possible de choisir un autre point de la cellule comme référence. La méthode de détection du contact entre le plongeur et l'électrolyte liquide est basée sur le fait que, lorsque le plongeur descend, il se met au potentiel de l'électrolyte dès qu'il vient en contact avec l'électro- lyte fondu au point (21), comme il est indiqué sur la figure 2. Dans ce cas, la tension à l'entrée du coffret d'automatisme (17) passe de 0 volt à 3,8 volts environ. Ce changement est transformé en signal et permet à l'automatisme de donner l'ordre de remontée du plongeur. La course du plongeur est donc ajustée automatiquement en fonction du niveau de la surface de l'électrolyte fondu (point 21), qui peut varier de plusieurs centimètres en fonction de la hauteur du bain d'aluminium fondu et de l'électrolyte fondu, qui évoluent au cours du processus de l'électrolyse. 248396'5 Le contact entre le plongeur et la croûte (5) n'a aucun effet sur le potentiel de plongeur car l'électrolyte solidifié, qui forme la croûte, est une matière isolante et présente une résistance très supérieure à la résistance (18) qui relie électriquement le plongeur à la barre né- gative (8). En dehors de l'ajustement automatique de la course du plongeur qui per- met d'éviter d'immerger le plongeur dans l'électrolyte fondu, tout en assurant la pénétration efficace de l'alumine dans l'électrolyte, le procédé objet de l'invention permet de détecter automatiquement la soli- dification éventuelle de l'électrolyte ay point d'alimentation. La figu- re 3 représente ce cas. Le plongeur descend et arrive au bout de sa course possible mécaniquement et reste à ce point bas pendant le temps prédéterminé par l'automatisme. La tension à l'entrée du coffret d'automatisme se maintient à zéro du fait que l'électrolyte solidifié n'est pas conducteur électrique. L'expiration de ce temps de descente sert de signal pour remonter le plongeur et enregistrer, au niveau de l'automatisme de régulation de la cellule, l'état de solidification de l'électrolyte à ce point d'alimen- tation. Cette information est utilisée par le programme de l'automatisme de ré- gulation pour arrêter l'alimentation à ce point, augmenter la cadence d'alimentation aux autres points de la cellule, s'ils existent, et augmen- ter la puissance électrique fournie à la cellule pour refondre l'électro- lyte solidifié. La mise en oeuvre de l'invention assure donc une sécurité totale du dis- positif d'alimentation et une régularité parfaite de l'apport d'alumine à la cellule d'électrolyse et permet ainsi d'utiliser des distributeurs- doseurs d'alumine de grande précision et de maintenir sensiblement cons- tante la concentration en alumine de l'électrolyte. -7- REVENDICATIONS I1 / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine d'une cellule pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, l'alimentation étant assurée par tout disposi- tif connu de stockage, de mesure et de transfert de l'alumine à au moins un orifice maintenu ouvert dans la croûte qui se forme à la sur- face de l'électrolyte et dans lequel peut pénétrer un plongeur mobile, caractérisé en ce que l'on anime le plongeur d'un mouvement alternatif de montée et de descente sensiblement vertical, et en ce que l'on dé- tecte, à chaque mouvement de descente, si le plongeur est entré en con- tct avec de l'électrolyte fondu ou avec de l'électrolyte solidifié. 2 / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine selon revendica- tion 1, caractérisé en ce que la détection du contact entre le plongeur et l'électrolyte fondu est réalisée par la mesure de la tension électri- que entre le plongeur et un point de la cellule pris comme potentiel de référence. 3 / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine selon revendica- tion 2, caractérisé en ce que le point pris comme potentiel de référen- ce est le conducteur négatif de la cellule. / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine selon les revendi- cations 2 ou 3, caractérisé en ce que le plongeur est isolé électrique- ment par rapport à la superstructure de la cellule à laquelle il est fixé. / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'en position de re- pos, le plongeur est mis au potentiel de la barre négative ou d'un autre point de la cuve qui sert comme référence de potentiel électrique, au mo- yen d'une résistance électrique de valeur convenable. / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine selon l'une quel- conque&des:revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'apparition sur le plongeur du potentiel de l'électrolyte fondu au premier contact entre le plongeur et l'électrolyte sert d'information pour donner l'ordre de remontée du plongeur. -8-- 7 / - Procédé de contrôle de l'alimentation en alumine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, si en un orifice d'alimentation donné, à l'expiration d'un temps de descente pré- déterminé du plongeur, il n'y a pas eu détection du contact électrique entre le plongeur et l'électrolyte, l'automatisme donne au moins un des ordres suivants: remontée du plongeur, arrêt de l'alimentation d'alumi'- ne en ce point, augmentation de la puissance électrique de la cellule '- et, éventuellement, augmentation de la cadence d'alimentation aux autres orifices de la cellule. 8 / - Appareillage pour la mise en oeuvre du procédé d'alimentation en alumine selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte, à chaque orifice d'alimentation, un plongeur mobile électriquement isolé de la superstructure de la cellule et dont au moins l'extrémité est électriquement conductrice, et un moyen de mesure du po- tentiel entre l'extrémité du plongeur mobile et un point de la cellule pris comme potentiel de référence. 9 / - Appareillage selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, ure résistance pour porter le plongeur mobile au po- tentiel électrique de référence. / - Appareillage selon revendication 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen pour élaborer - à partir de la mesure du potentiel du plongeur, au moins des ordres suivants: - remontée du plongeur, - arrêt de l'alimentation en alumine à un orifice, - augmentation de l'alimentation en alumine aux autres orifices, - augmentation de la puissance électrique fournie à la cellule, - maintien de la cadence d'alimentation en alumine. s - -