Brevet FR2504158A1 — publié le 19821022

PROCEDE ET APPAm3ILLAGE D'ALDMENTATION PONCTUELLE EN ALUMINE DE CUVES D'ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM La présente invention concerne un procédé et un appareillage d'alimentation ponctuelle en alumine de cuves produisant de l'aluminium par électrolyse ignée d 'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue selon le procédé Hall-Héroult. Jusqu'à une époque récente, l'alimentation en alumine était effectuée en déposant l'alumine sur la croûte d'électrolyse figée recouvrant la cuve et en brisant périodiquement cette croûte au moyen de piqueurs, ce qui entraînait la chute de l'alumine dans le bain en quantités importantes et mal contrôlées. De tels procédés ont été décrits, par exemple, dans les brevets fran çais 1 245 598, 1 526 766, 2 036 896 au nom de PECHINEY (correspondant respectivement aux brevets américains US. 3 2t6 918, 3 372 106, 3 679 557). On tend maintenant à effectuer l'alimentation en alunine de façon contrôlée et régulière, de façon à maintenir, en permanence, la oencentra- tion en alumine de l'électrolyte dans une fourchette prédéterminée, en vue d'obtenir le meilleur rendement possible. De tels systèmes ont été décrits, en particulier, dans les brevets français 2 099 434 (ALCQA), 2 264 098 (NIPPON LIGOT tZETALS) et dans les brevets américains US. 3 400 062 (ALCOA) et US. 3 689 229 (ALCOA). Ils sont généralement constitués par un moyen de stockage centralisé d'alumine et par un moyen de distribution de l'alumine sur les cuves, en un ou plusieurs points, le moyen de dosage de l'alumine étant le plus souvent combiné avec le moyen de perçage de la croûte d'électrolyte figé. De tels dispositifs d'alimentation imposent de placer la trémie d'alimentation à un niveau suffisamnent haut par rapport à la cellule pour assurer l'écoulement de l'alumine par gravité. En plus, la trémie doit être placée à proximité de la cellule pour la même raison. Ces dispositifs ne sont pas bien adaptés à la réduction de l'encombrement des installations et à la transformation en alimentation automatique et ponctuelle des cellules existantes alimentées, de façon classique, par enfoncement de la croûte. En outre, ils comportent des dispositifs mécaniques sujets à de fréquents dérangements et à usure rapide en raison de l'effet abrasif de l'alumine. L'objet de l'invention est un procédé d'alimentation en alumine d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue selon la technique Hall-Héroult, consistant à prélever de l'alumine dans un moyen de stockage comportant, à sa partie inférieure, un orifice d'écoulement rmni d'un moyen d'isolement et à envoyer ladite alumine en doses successives, par une canalisation dans au moins un orifice pratiqué dans la croate d'électrolyte figée qui recouvre la cuve en fonctionnement normal, procédé comportant la succession des opérations suivantes - On ouvre le moyen d'isolement. - On laisse écouler l'alumine dans le doseur par gravité. - On ferme le moyen d'isolement. - On injecte de l'air comprimé, à la base du doseur, au travers de celui-ci et dans l'axe de la canalisation, jusqu'à tout ce toute l'alumine contenue dans le doseur ait été envoyée par ladite canali sation, jusqu'à l'orifice de la croûte d'électrolyse. De préférence, on procède à une injection d'air comprimé dans le moyen de stockage pour accélérer l'écoulement de 1 'alumine dans le doseur. Cette injection d'air est effectuée peu avant la fin du remplissage du doseur, à la partie inférieure du moyen de stockage et à proximité de l'orifice d'écoulement. Un autre objet de l'invention est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'alimentation en alumine d'une cuve de production d'alumine comportant en combinaison : - Un moyen de stockage de l'alumine, possédant, à sa partie inférieure, un orifice d'écoulement muni d'un moyen d'isolement commandé. - Un doseur volumétrique de volume constant ou réglable, dont la partie supérieure est reliée au moyen d'isolement commandé et à un orifice de dégazage et dont la partie inférieure est reliée, d'une part, à une canalisation d'expédition de l'alumine vers la cuve d'électroly se, le départ de cette canalisation étant orienté radialement et, d'autre part, à un moyen d'injection d'air comprimé débouchant dans le doseur, à l'opposé du départ de la canalisation, l'axe du moyen d'injection d'air et l'axe du départ de la canalisation étant sensi blement confondus. L'orifice de dégazage du doseur est connecté au départ de la canalisation d'expédition de l'alumine. La liaison entre l'orifice de dégazage du doseur et le départ de la canalisation d'expédition est réalisée, de préférence, en un matériau transparent ou translucide. Le moyen d'isolement command est une vanne pneumatique à manchon interne rétractable. La liaison entre le moyen de stockage et le doseur est, de préférence, une liaison souple - par exemple un manchon en caoutchouc - ce qui permet de réaliser la canalisation d'expédition, entièrement en matériau rigide, par exemple en tube d'acier. La figure 1 schématise l'ensemble du dispositif d'alimentation. La figure 2 représente le détail du doseur proprement dit. L'alumine est stockée dans une trémie (1) munie d'un orifice de remplissage (2) et d'un tube de dégazage (3) ; il est souvent préférable de prévoir, à la partie haute, soit un filtre amovible en grillage (4) disposé dans l'orifice de remplissage, soit une grille fixe (5), inclinée, que l'on peut nettoyer par une porte de visite (6), pour arrêter les particules de plus de 3 millimètres qui géneraient le fonctionnement du doseur. La trémie est reliée au doseur volumétrique (7) par un tube flexible (8) de large diamètre (par exemple 50 à 100 pin). De cette façon, le doseur est monté de façon souple, ce qui permet d'éviter l'utilisation de tuyaux flexibles entre le doseur et la cuve d'électrolyse, dans une zone où l'usure et les risques d'endommagement sont les plus grands. Le doseur volumétrique (7) est relié à la sortie du tube flexible (8) par l'intermédiaire d'une vanne pneumatique (9) à manchon interne souple rétractable, par exemple une vanne DOSSARD (marque déposée), et d'un raccord rapide (10) de tout type colmu. Le doseur (7), qui est du type volumétrique, comporte un corps netallique (11) dont la partie supérieure est connectée à la sortie de la vanne pneumatique (9) ainsi qu'à la partie supérieure d'sa tuyau de dégazage (12) qu'il est avantageux de réaliser en matériau transpa- rent translucide et dont la partie inférieure est reliée a la sortie du doseur et au départ (13) de la canalisation d'expédition (23) par un raccord en T (14). Lors du remplissage du doseur (7), l'air s'échappe par le tube t123 et s 'évacue par la canalisation d'expédition (23). La troisième branche du raccord en T débouche dans la partie inférieu- re du doseur (7) en face et dans l'axe exact d'un injecteur t15) reali- sé de préférence en acier inoxydable. L'injecteur (15) est alimenté en air comprimé sous S à 6 1urs partir d'une canalisation principale (16), par une électrovanne (17) et un diaphragme (18). La meme électrovanne (17) commande la vanne nreu- matique (9) par une dérivation, en amont du diaphragme (18). Ce montage permet d'obtenir une ouverture rapide de la vanne pneumatique tR) à la fin du cycle, par évacuation de l'air comprimé - qui la maintenait fer mée - à travers le diaphragme (18). La trémie (1) comporte, en outre, une canalisation (19) d'introduction d'air de remplissage, coudée et débouchant à proximité de l'orifice inférieur (20). La canalisation (19) est alimentée en air comprimé war l'électrovanne (21) et le diaphragme (22). On peut ainsi accélérer la fin du remplissage et raccourcir la durée totale des cycles. La canalisation d'expédition (23) a une longueur et une forme adaptée à la disposition de la salle d'électrolyse et de l'emplacement de la trémie et du doseur. Sa longueur peut atteindre, et mêne dépasser, une quinzaine de mètres. Il faut éviter les coudes brusques. Bu fait de la liaison souple Manchon (8) 7 entre la trémie et le doseur, rien ne s'oppose à ce que l'ensemble de la canalisation (23) soit entièrement rigide et réalisée, par exemple, en tube d'acier, ce qui la rend extrêmement résistante à la chaleur qui règne à proximité de la cuve et aux chocs qu'elle peut recevoir. La canalisation débouche au niveau d'un orifice (24) percé dans lia croûte de sel figé (25) qui recouvre, en fonctionnement normal, la cuve d'électrolyse. Généralement, un piqueur (26), actionné par un vérin pneumatique, maintient l'orifice d'introduction ouvert en permanence. Des dispositifs divers, de type connu, peuvent déclencher une alarme si l'orifice reste bouché malgré l'action du piqueur, et interrompre momentanément 1' expédition de l'alumine. Le dispositif fonctionne de la façon suivante 10/ PRESUXlPLISSAGE La vanne pneumatique (9) est ouverte et le doseur commence à se remplir par gravité. L'alumine s'arrête par l'effet de talus à l'entrée (13) du tuyau d'expédition (23). La durée de cette phase doit être de l'ordre de quelques secondes. 20/ RETIPLISSAC;E Pendant cette phase, l'électrovanne de rewplissage (21) est actionnée et le remplissage est accéléré par l'introduction d'air dans la trémie (tube 19). Lorsque le doseur (7) est rempli, une certaine quantité d'alumine parvenue dans le tuyau de dégazage transparent, forne bouchon à la liaison en "T" (14) entre le tuyau de dégazage (12) et le tuyau d'expédition (23). Ce bouchon arrête l'écoulement d'alumine. Le déversement est visible au niveau du tuyau transparent, ce qui permet de vérifier le bon remplissage du doseur. La durée de la phase de remplissage est de l'ordre d'une dizaine de secondes. Lorsque l'alumine est très fluente, elle avance de quelques centimètres dans le tuyau d'expédition (23) avant que son écoulement s'arrête. La hauteur de la colonne d'alumine dans le tuyau transparent de dégazage est un indice sensible de fluidité de l'alumine. 3 / VIDANGE L'électrovanne de vidange (17) est actionnée, ce qui a pour effet de refermer la vanne pneumatique (9) et de provoquer l'expédition de l'alumine sous l'effet du jet d'air comprimé sortant de l'injecteur (15). La commande de l'électrovanne (17) peut être avantageusement synchronisée avec l'ordre de remontée du vérin de perçage de la croûte, sur la cuve d'électrolyse. Le doseur (7) se vide normalement en une dizaine de secondes. Si on prolonge de 2 à 3 secondes la commande de l'électrovanne de vidange, on peut être assuré que le doseur (8) et la tuyauterie (23) sont com- plétement vides à la fin de cette phase. Dans le cas où 1 'expédition s'arrête avant la fin de la vidange, par arrêt de la camnande ou de l'alimentation en air comprimé, l'alumine se dépose dans la tuyauterie. Au redémarrage de 1 'expédition suivante, il se forme un bouchon d'alumine. Devins ce cas, la pression dans le doseur monte suffisamment pour déboucher la tuyauterie.Dans le cas où le tuyau d'alumine monté sur le vérin se bouche par projection de bain ou de métal, le doseur se vide mais l'alumine échappe par le jeu existant entre ce tuyau et l'extrémité du tuyau d'expédition. Le bon fonctionnement de la vidange peut être vérifié au niveau du tuyau de dégazage transparent, car une partie de la dose passe par ce tuyau. 40/ A Le doseur reste plein en attente d'une nouvelle commande de vidange. La durée de cette phase peut varier en fonction de la séquence d'alimentation. Il suffit qu'elle soit supérieure à environ 5 secondes pour que l'alumine se stabilise. Ce déroulement de phases a l'avantage d'assurer les mêmes conditions de remplissage isdqpeadaoBent de la séquence d'alimentation. La durée d'un cycle coriplet de quatre phases est de l'ordre d'une trentaine de secondes, ce qui autorise une cadence de fonctionnement d'une centaine de doses à l'heure. Par ailleurs, le déroulement des séquences se prête parfaitement à une automatisation intégrale. Le dispositif, objet de l'invention, se prête particulièrement bien à l'alimentation automatique des cuves d'électrolyse. Les doses d'alumine étant constantes, il suffit que la cadence d'expédition de chaque dose successive soit modulée, selon un programme prédéterminé, et en fonction de l'évolution de la concentration en alumine de l'électrolyte. Whigs, il est également possible d'opérer de la façon inverse et d'envoyer, à une cadence constante, des doses variables d'alumine. Pour celà, il suffit de rendre le volume du doseur variable, par exemple par déformation contrôlée d'une de ses parois constituée en matériau souple, tel que du caoutchouc, ou du métal ondulé, ou introduction contôlée, dans le doseur, d'un corps qui en modifie le volume, sans perturber pour autant le remplissage et la vidange. On peut donc choisir entre une alimentation de la cuve en doses successives égales ou inégales, à des intervalles de temps constants ou variables, en fonction des variations de la teneur du bain en alumine, ce qui donne une très grande souplesse dans la mise en oeuvre des systèmes de régulation. EXEMPLE D'APPLICATION On a appliqué le dispositif, objet de l'invention, à l'alimentation en alumine automatique et ponctuelle d'une série de cuves d'électrolyse fonctionnant sous 70 kA. Le doseur (7) avait une capacité en alumine de 1050 grammes. Des essais de reproductibilité ont montré une dispersion inférieure à + 20 ran- mes avec une même albumine, et inférieure à - 50 grammes, sur une longue période, en raison de légères variations dans la fluidité des livrai sons successives d'alumine. Ia canalisation d'expédition entre le doseur et la cuve d'électrolyse avait une longtieur totale de 4 mètres. Elle était constituée en tube d'acier de 15 irin de diamètre intérieur et de 21 mm de diamètre extérieur. Parmi les avantages du dispositif, objet de l'invention, on peut citer la précision du dosage, la simplicité : delEx électrovannes et une vanne pneumatique, l'absence de tout organe mobile sujet l'usure ou à abrasion, l'absence de tout moyen de fluidisation de l'alumine, la possibilité d'utiliser des canalisations d'expédition de niveau variable et de grande longueur jusqu'à 15 mètres et même au-delà, et de disposer les trémies et les doseurs à la hauteur et à l'emplacement le plus judicieux et le plus accessible, pour faciliter le contrôle et l'entretien. REVEDDICATIONS 10/ - Procédé d'alimentation en alumine d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue selon la technique Hall-Héroult, consistant à prélever de l'alumine dans un moyen de stockage comportant, à sa partie inférieure, un orifice d'écoulement muni d'un moyen d'isolement et à expédier ladite alumine, en doses successives, par une canalisation, dans au moins un orifice pratiqué dans la croûte d'électrolyte figée qui recouvre la cuve en fonctionnement normal, caractérisé par la succession des onéra- tions suivantes - On ouvre le moyen d'isolement. - On laisse s'écouler l'alumine dans le doseur par gravité. - On ferme le moyen d'isolement. - On injecte de l'air comprimé, à la base du doseur, au travers de celui-ci, et dans l'axe de la canalisation jusqu'd ce que toute l'alu mine contenue dans le doseur ait été expédiée, par ladite canalisa tion, jusqu'à l'orifice de la croûte d'électrolyse. 20/ - Procédé d'alimentation en alumine, selon revendication 1, caractérisé en ce que l'on accélère l'écoulement de l'alumine dans le doseur en injectant de l'air comprimé dans le moyen de stockage. 30/ - Procédé d'alimentation en alumine, selon revendication 2, caractérisé en ce que l'injection d'air dans le moyen de stockage est effectuée peu avant la fin du remplissage du doseur. 4 / - Procédé d'alimentation en alumine, selon revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'injection d'air est effectuée à la partie inférieure du moyen de stockage, à proximité de l'orifice d'écoulement. 50/ - Procédé d'alimentation en alumine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'expédition de l'alumine vers la cuve d'électrolyse est effectuée en doses successives égales à des intervalles de temps variables. 60/ - Procédé d'alimentation en alumine selon l'une quelconque des re vendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'expédition d'alumine vers la cuve d'électrolyse est effectuée à des intervalles de temps constantes, en doses successives inégales. 70/ - Procédé d'alimentation en alumine selon l'une quelconque des-revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'expédition d'alumine vers la cuve d'électrolyse est effectuée à des intervalles de temns variables en doses successives inégales. 80/ - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé d'alimentation en alumine d'une cuve de production d'aluminium selon 1 'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisd en ce qu'il comporte, en combinaison - un moyen de stockage de l'alumine possédant, à sa partie inférieure, un orifice d'Ecoulement muni d'un moyen d'isolement commandé, - un doseur volumétrique dont la partie supérieure est reliée au moyen d'isolement commandé et à un orifice de dégazage et dont la partie inférieure est reliée, d'une part, à une canalisation d'expédition de l'alumine vers la cuve d'électrolyse, le départ de cette canalisation étant orientéradialement et, d'autre part, à un moyen d'injection d'air comprimé débouchant dans le doseur à 1 'opposé du départ de la canalisation, l'axe du moyen d'injection d'air et l'axe du départ de la canalisation étant sensiblement confondus. 90/ - Dispositif selon revendication 8, caractérisé en ce que l'orifice de dégazage du doseur est connecté au départ de la canalisation d'expédition de l'alumine. 100/ - Dispositif selon revendication 9, caractérisé en ce que la liaison entre l'orifice de dégazage du doseur et le départ de la canalisation d'expédition est réalisée en un matériau transparent ou translui: cide. 11 / - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le moyen d'isolement coeriandé est une vanne pneumatique à manchon interne rétractable. 120/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte, entre le moyen de stockage et le doseur, un moyen de liaison souple, par exemple, une nanchette en ca outcllouc . 130/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que la canalisation d'expédition de l'alumine est réalisée entièrement en matériau rigide tel que du tube d'acier. 140/ - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que le volume du doseur (7) peut être modifié de façon contrôlée, per exemple en constituant au moins partiellement ses parois en un matériau souple déformable de façon contrôlée, ou par introduction d'un élément qui modifie son volume utile.