Brevet FR2486107A1 — publié le 19820108

La présente invention concerne les anodes en carbone pour l'électrolyse ignée d'aluminium, faites entièrement ou partiel- lement de cokes légers. La production d'aluminium par électrolyse ignée d'alu- mine dissoute dans la cryolithe. (Na3AlF6) avec utilisation d'anodes en carbone est connue. L'électrolyse s'effectue habituellement dans l'intervalle de 900 à 1 000C. Pendant ce processus, de l'aluminium se sépare et se rassemble sur le fond en carbone, branché comme cathode, du four de réduction. L'anode en carbone est consommée sous l'action de l'oxygène produit à la décomposition. de l'alumine, avec formation de dioxyde de carbone et, en moindre mesure, de monoxyde de carbone sur l'anode. La consommation d'anodes par tonne d'alumi- nium produite est théoriquement de 330 kg mais elle va de 400 à 500 kg dans la pratique. Cela provient surtout de ce que, à côté de la con- sommation primaire indiquée ci-dessus, il se produit une consommation ou usure secondaire de carbone du fait, primo, que le dioxyde de carbone formé réagit avec le carbone en formant du monoxyde de car- bone, secundo, qu'il s'établit une zone, située directement au-dessus du bain d'électrolyse, o l'anode est brûlée en surface par l'oxygène de l'air en raison de la haute température. La réaction de l'oxygène avec le carbone n'a pas seu- lement lieu à la surface mais aussi à l'intérieur de l'anode et, en plus de la consommation d'origine chimique, elle conduit à une usure mécanique par désintégration et le détachement de particules de coke, ce qui entraîne des pertes de fusion et un moindre rendement de l'énergie électrique. La consommation d'anodes ainsi produite, appelée également usure par diffusion, est d'autant plus grande que l'anode est poreuse. La porosité des anodes résulte du traitement des matières premières et de la nature de celles-ci. Surtout les cokes légers - c'est-à-dire les cokes ayant une faible densité en vrac, tels que les cokes désulfurés thermiquement, les cokes obtenus par liquéfaction du charbon, les cokes de houille à haute teneur en matières volatiles - ont une grande porosité, ce qui donne des anodes de grande porosité donc à forte usure secondaire et par diffusion. L'usure des anodes est indésirée pour de multiples raisons. Une première raison est que les anodes sont régulièrement à rajuster pour maintenir une distance interpolaire optimale entre la surface des anodes et la surface de l'aluminium et une deuxième raison est que chaque anode consommée au maximum doit être remplacée. Il est clair qu'il faut d'autant plus de rajustements et de remplace- ments d'anodes que leur consommation est rapide, ce qui fait monter le coût global du personnel de conduite et des matières. De plus, les anodes poreuses ont en règle générale une conductibilité médiocre. Il est évident qu'il serait très avantageux et haute- ment désirable de disposer d'une anode pour l'électrolyse d'aluminium, faite en partie au moins de cokes légers, dont la durée d'utilisation soit prolongée, c'est-à-dire dont les inconvénients mentionnés ci- dessus provenant de la porosité soient évités au moins en partie. L'invention vise donc à apporter une anode en carbone, faite en grande partie au moins de cokes légers, qui soit remarquable par une plus longue durée d'utilisation, et à indiquer un procédé à grande productivité et très économique pour fabriquer de telles anodes. Selon l'invention, la durée d'utilisation d'une telle anode pour la production d'aluminium par électrolyse ignée est prolon- gée essentiellement par l'élévation de la densité de l'anode, notam- ment d'au moins 10%, ce qui améliore la conductibilité-et rend la qualité des anodes plus régulière, entraînant une distribution plus uniforme du courant électrique pendant l'électrolyse. La densité de l'anode est accrue par le procédé de l'invention, qui est caractérisé en ce que l'on imprègne les blocs d'anode cuits - fabriqués avec utilisation de cokes légers - de goudron de houille ou de brai de pétrole liquide, ou d'autres substances carbonées similaires, et on les soumet ensuite à une postcuisson par chauffage électrique et utilisation des anodes comme résistances chauffantes, de manière que les composants volatils des substances d'imprégnation brûlent et que le carbone reste dans les vides et les discontinuitésdes anodes. Le procédé selon l'invention permet de fabriquer des anodes ayant une durée d'utilisation plus longue, de l'ordre de 205% par exemple, que les anodes en carbone de l'art antérieur et il diminue considérablement le coût global de la production d'aluminium. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront des exemples de mise en oeuvre préférés mais nullement limitatifs décrits ci-après. Exemple 1 On préchauffe des blocs d'anode prismatiques cuits, mesurant 51 x 51 cm et 102 cm de long et fabriqués avec utilisation de cokes légers, dans un four de préchauffage à environ 10OC, de préférence à 150C et, de façon idéaleentre 150 et 320'C. Ce pré- chauffage est recommandé sinon nécessaire pour deux raisons. Première- ment, le goudron de houille, le brai-de pétrole ou d'autres substances carbonées prévues pour l'imprégnation sont chauffés pour les rendre liquides ou pour augmenter leur fluidité en vue de l'obtention d'une imprégnation optimale. Sans préchauffage des blocs d'anode, ceux-ci pourraient se fissurer sous l'effet du choc thermique produit par le contact avec la substance d'imprégnation préchauffée. Deuxièmement, la demanderesse a constaté que les substances carbonées d'imprégna- tion s'écoulent mieux par les vides à l'intérieur de l'anode lorsque celle-ci est préchauffée. Après le préchauffage du bloc-d'anode, on l'introduit dans un autoclave. Pour évacuer les vides et les discontinuités du bloc d'anode, on évacue l'autoclave par des pompes à vide mécaniques, en maintenant la température de l'autoclave supérieure à 90C, de pré- férence supérieure à 1500C et, de façon idéale, entre 150 et 3200C. Après cela, on pompe la substance carbonée préchauffée, du brai de pétrole ou de houille liquide par exemple,- dans l'autoclave et on porte la pression dans celui-ci à environ 14 bars, de préférence à environ 21 bars, pour obliger ainsi la substance carbonée d'imprégna- tion de pénétrer dans les vides et les discontinuités préalablement éva- cués du bloc destiné à former une anode en carbone. Après l'imprégna- tion, on enlève la substance d'imprégnation excédentaire et on refroi- dit l'anode imprégnée à la température ambiante. Après cela, on soumet l'anode à une postcuisson, jusqu'à 500C environ, de préférence entre 460 et 4800C, par un chauffage électrique direct dans lequel l'anode remplit elle-même la fonction d'un conducteur chauffant. Pendant cette postcuisson, les composants volatils brûlent et le carbone de la substance d'imprégnation reste dans les pores, entraînant obliga- toirement une élévation de la densité de l'anode. Pour ce chauffage, il est avantageux de serrer l'anode entre deux ou davantage de plaques métalliques refroidies à l'eau, dont les côtés appliqués contre l'anode sont rainurés pour établir un meilleur contact et diminuer ainsi la résistance de contact, l'application d'une tension électrique appropriée aux plaques fai- sant circuler le courant nécessaire pour porter l'anode à la tempé- rature requise avec un gradient de température de 10-50'C/min. Lorsque la température voulue est atteinte, le courant peut être coupé immé- diatement, un maintien à la température maximale n'étant pas néces- saire. Exemple 2 On préchauffe 20blocs d'anode cuits>fabriqués avec utilisation de cokes légers, un à un dans un four de préchauffage à 2041C. On place le bloc d'anode préchauffé dans un autoclave puis on évacue celui-ci. On maintient la température de l'autoclave à 2040C et on pompe du brai liquide à 204'C à l'intérieur. Pour impré- gner le bloc d'anode avec le brai liquide, on porte la pression dans l'autoclave à 21 bars. Le processus d'imprégnation dure 3 heures. La postcuisson s'effectue avec un gradient de température compris entre 14 et 450CImin et une température maximale de 460 à 4800C. Le tableau I ci-après indique l'augmentation de densité obtenue dans chacun des 20 blocs d'anode. On voit sur ce tableau que ni le gradient de température ni la température maximale ne sont des grandeurs particulièrement critiques. Ils dépendent notamment des cokes utilisés comme matières premières et des substances d'impré- gnation et doivent être adaptés aux besoins dans chaque cas. Comme l'indique le tableau, l'élévation moyenne de la densité est supérieure à 12,57. et la densité moyenne est supérieure à 1,6. On installe les 20 anodes imprégnées de brai selon l'invention de la manière habituelle dans un four d'électrolyse expé- rimental et on les utilise pendant l'électrolyse d'aluminium. On effectue de la façon habituelle des enregistrements de tension et d'intensité du courant électrique à différents endroits du four et on compare les valeurs obtenues avec celles de fours utilisant des anodes conventionnelles. On constate que la durée d'utilisation des anodes imprégnées est de 30 jours alors que celles des anodes conven- tionnelles fabriquées avec les mêmes matières premières est de jours. Ce prolongement de 20%e de la durée d'utilisation apporte une économie considérable. La chute de la tension anodique est infé- rieure de 17 mV à celle d'anodes conventionnelles, ce qui représente une économie supplémentaire considérable dans une usine utilisant 500 fours. La production de métal dans les fours expérimentaux est supérieure de 2,77% à celle de fours utilisant des anodes conven- tionnelles, ce qui correspond à une augmentation d'environ 18,15 kg de la production de métal par four par jour. Il ressort de ce qui précède que le procédé de l'inven- tion permet de fabriquer une anode perfectionnée qui, comparativement à des anodes fabriquées de la même façon mais sans imprégnation, est remarquable par une plus longue durée d'utilisation, une plus faible consommation de courant électrique et une production accrue de métal, ce qui conduit à des économies considérables. Il est a noter que l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits. Ceux-ci servent uniquement à illustrer la forme de mise en oeuvre considérée actuellement comme la meilleure. De nom- breuses modifications sont donc possibles pour ce qui concerne les formes, les grandeurs, la disposition des éléments et les détails d'exécution, sans sortir du cadre de l'invention. TABLEAU I Bloc d'anode Densité initiale Densité finale Augmentation Bloc d'anode g/cm3 g/cm3 en g/óm3 g/cm3 en % moyenne 1,45 1,43 1,46 1,41 1,42 1,44 1, 43 1,45 1,41 1,44 1,42 1,41 1,43 1,45 1,42 1,40 1,46 1,43 1,42 1,44 1,4315 1,62 1,61 1,61 1,60 1,58 1,60 1,63 1,64 1,60 1,62 1,57 1,61 1,60 1,64 1, 61 1,62 1,62 1,60 1,63 1,63 1,612 11, 7 12,6 ,3 13,5 11,3 11,1 14,0 13,1 13,5 12,5 ,6 14,2 11,9 13,1 13,4 ,7 11,0 11, 9 14,8 13,2 12,67 E V E N D I C A T I 0 N S 1. Anode perfectionnée, faite en partie au moins de cokes légers, destinée à être utilisée dans la production d'aluminium par électrolyse de sels métalliques, l'anode ayant une durée d'utilisation prolongée et entraînant une diminution de l'énergie électrique consom- mée et une augmentation de la production de métal, caractérisée par la combinaison d'un corps en carbone poreux, présentant une multitude de vides et de discontinuité&, et d'une substance carbonée imprégnée par pression dans ce corps et se trouvant dans lesdits vides et disconti- nuités, l'introduction de la substance d'imprégnation entraînant une élévation de la densité de l'anode d'au moins 10%, un prolongement de la durée d'utilisation d'environ 200/a et une augmentation d'environ 2,5% de la production de métal. 2. Anode selon la revendication 1, caractêriséeen ce que la substance carbonée d'imprégnation est du goudron de houille chauffé liquide. 3. Anode selon la revendication 1, caractérisée en ce que la substance carbonée d'imprégnation est du brai de pétrole chauffé liquide. 4. Procédé pour fabriquer une anode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à: - évacuer les vides et les discontinuités de l'anode en carbone cuite et préchauffée dans une chambre, - pomper la substance carbonéed'imprégnation préchauffée dans la chambre et élever la pression intérieure de la chambre pour obliger la substance d'imprégnation de pénétrer dans les vides et les dis- continuités de l'anode, - retirer la substance d'imprégnation excédentaire de la chambre et refroidir l'anode à la température ambiante, - soumettre l'anode à un chauffage électrique direct à environ 5000C, de préférence entre 460 et 480'C et avec un gradient de température de 10 à 50'C/min pour faire brûler les composants volatils et à refroidir l'anode ensuite à la température ambiante. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on établit une pression d'environ 14 bars à l'intérieur de la chambre. 2486107. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on établit une pression d'environ 21 bars à l'intérieur de la chambre. 7. que l'on 8. que l'on à 150 C, Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce chauffe la chambre à environ 100 C. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce chauffe la chambre à une température supérieure ou égale de préférence entre 150 et 320 C.