Brevet FR2517704A1 — publié le 19830610

PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGLAGE PRECIS DU PLAN ANODIQUE D'UNE CUVE D'ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM La présente invention concerne un procédé et un dispositif de règlage précis de la position du plan anodique d'une cuve d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue (procédé Hall-Héroult). Dans une cuve d'électrolyse à anodes précuites, la position du plan anodique, qui fait face à la nappe cathodique d'aluminium liquide,doit être périodiquement ajustée pour tenir compte de la variation d'un certain nombre de paramètres tels que - la hauteur de la nappe d'aluminium,qui augmente régulièrement puis baisse brusquement lors du soutirage du métal, - l'usure progressive du plan anodique, - l'apparition du phénomène de polarisation de l'anode (emballage), - l'inégalité de répartition du courant entre les différentes anodes, - des hétérogénéités locales de température ou de composition du bain, - des irrégularités des résistances de contact entre les tiges d'anodes et les amenées de courant, - des changements de forme de l'interface bain-métal par suite des va riations de la carte des courants électriques dans le bain et dans le nétal. En outre, la quasi totalité des procédés de régulation des cuves d'élevé tolyse pour la production d'aluminium agissent par variation de la distance anode-cathode. Dans les brevets français FR 935 350 (du 29 Octobre 1960), 955 688, 955 689, 955 690 (=US 2 545 411, 412 et 413) (PECHINEY), on décrivait un procédé et un dispositif de réglage des électrodes d'une cuve d'électrolyse consistant à mesurer la résistance interne du bain et la répartition du courant entre chaque anode, mesurée par un logomètre a champs croisés, et à donner à chacune d'elles des ordres de montes ou de des centre pour corriger les écarts par rapport aux valeurs de consigne. En outre le mouvement des électrodes permettait d'assurer une descente progressive de l'alumine dans la cellule et d'cbtenir ainsi une alimentation automatique. Cette conception a été reprise plus tard, en particulier dans les brevets US 2 904 490 (ARDAL OG SUNNDAL), FR 1 325 158 (ASEA), FR 1 605666 (= US 3 627 666) $ECHINEY). On sait, à l'heure actuelle, qu'une répartition de courant aussi régulière que possible entre les différentes anodes d'une cuve est essentielle pour l'obtention d'un bon rendement. Sur les cuves modernes, de grandes dimensions, ayant un nombre élevé d'anodes, le maintien de cette répartition régulière implique des ajustements relativement fréquents du niveau de lVune-ou de plusieurs anodes. On est donc revenu' à l'idée de commander individuellement ces mou vents de réglage et de les asservir à la valeur du courant circulant dans chaque anode,qui était à la base des brevéts PECHINEY de 1944 et 1946, cités précédemment. Le brevet FR 2 473 194 (US 4 210 513) d'ALCOA, décrit un dispositif pneumatique de positionnement individuel des anodes, dans lequel un moteur unique transmet son mouvement aux vérins individuels au moyen d'un embrayage qui permet d'agir - ou non- sur la hauteur de l'anode concernée. Pour les ordres de réglage collectifs, tous les embrayages sont enclenchés. Ce système 2 pour inconvénients - un coût élevé des vérins qui doivent avoir une course importante cor respondant à la hauteur d'usure, ou à la rigueur, de demi-usure de l'anode. - un encombrement important de ces vérins à grande course, ce qui aug mente la hauteur de la cuve, donc le colt d'investissement. la la nécessité d'avoir des amenées de courant souples et de grande lon- gueur, d'où augmentation de la longueur du trajet des conducteurs. - un coût des liaisons mécaniques entre les vérins plus élevé que des liaisons électriques. - la vitesse du mouvement de montée ou de descente est constante. quelle que soit la nature du réglage à effectuer. On ne peut donc pas faire de réglage fin individuel sans pénaliser la durée de toutes les autres opérations. Un premier objet de l'invention est un procédé de réglage précis du plan anodique d'une cuve pour la production d'aluminium, par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, dont le système anodique comporte une pluralité d'anodes précuites, disposées en deux lignes parallèles et munies de tiges de suspension connectées électriquement à un croisillon qui assure l'arrivée positive de courant et dont le plan cathodique est constitué par la nappe d'aluminium liquide produit, procédé selon lequel sur chaque ligne d'anodes, on connecte les tiges de suspension de chaque anode ou de chaque groupe d'anodes, d'une part, a des petits vérins individuels de réglage de hauteur et, d'autre part, au croisillon d'amenée de courant positive par l'intermédiaire de clinquant souple, en ce que l'on fixe les petits vérins individuels de chacune des deux lignes d'anode à un cadre collectif rigide, horizontal, en ce que l'on relie entre eux les deux cadres collectifs rigides et en ce que l'on connecte chaque cadre collectif rigide à un moyen séparé mais accouplable de réglage de hauteur. Selon ce procédé, on fait varier la distance entre le plan cathodique et l'ensemble des anodes en agissant simultanément en synchronisme, sur les moyens de réglage de hauteur de chaque cadre collectif rigide et en interrompant l'alimentation des moyens de commande des petits vérins individuels pendant que les moyens de réglage des cadres collectifs rigides sont en action. Selon ce même procédé, on ajuste l'intensité du courant passant dans chaque anode ou dans chaque groupe d'anodes en mesurant l'intensité de ce courant, en la comparant à une valeur de consigne, en élaborant un ordre de correction qui est envoyé à chacun des petits vérins individuels commandant les anodes ou groupes d'anodes dontl'intensité s'écarte de la valeur de consigne, et en interrompant l'alimentation des moyens de réglage en hauteur des deux cadres collectifs rigides pendant que les petits vérins exécutent les ordres de correction. Enfin,lors de l'apparition de l'emballement (ou "effet d'anode" d'une cuve on interrompt l'alimentation des moyens de commande des petits vérins individuels et on agit séparément, et en synchronisme, sur les moyens de réglage en hauteur de chaque cadre collectif rigide, de façon à relever l'un des cadres d'une hauteur prédéterminée et à abaisser simultanément l'autre cadre d'une hauteur identique, chaque cadre restant horizontal, puis on effectue la manoeuvre inverse, et ainsi de suite, à plusieurs reprises, jusqu'à ce que l'emballement ait cessé, ce qui se manifeste par le retour de la tension aux bornes de la cuve à une valeur voisine de 4 volts. Au cours de cette opération, le niveau de l'électrolyte ne varie pas. Un autre objet de l'invention est un dispositif de réglage précis du plan anodique d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, dont le système anodique comporte une pluralité d'anodes précuites, disposées en deux Éli- gnes parallèles, munies de tiges de suspension connectées électriquement à un croisillon qui assure l'arrivée positive du courant, et dont le plan cathodique est constitué par la nappe d'aluminium liquide produit, dispositif qui comporte - un portique fixe formé par au moins une poutre rigide horizontale munie d'appui à ses extrémités. - un cadre collectif formé par deux éléments rigides horizontaux, cor respondant chacun à une ligne d'anodes, supportés chacun par le por tique fixe par un ensemble de leviers et de biellettes qui permettent aux deux éléments rigides de se déplacer par rapport au portique, en montée ou en descente, tout en restant horizontaux. - un moyen de commande séparé,mais accouplable, de chaque ensemble de leviers et de biellettes. - une pluralité de moyens de commande individuelle des anodes, reliés d'une part, au cadre collectif, et d'autre part, à une pluralité de petits cadres individuels. - des moyens de liaison mécanique entre les petits cadres individuels et les tiges de suspension des anodes. - éventuellement, des moyens de liaison mécanique, rigides ou articulés, entre les deux éléments rigides du cadre collectif. - des moyens de liaison électrique entre le croisillon et les tiges de suspension des anodes. Les figures 1 à 4 illustrent le dispositif, objet de l'invention. La figure 1 est une vue en perspective partielle et simplifiée, sur laquelle on n'a pas fait figurer les moyens de fixation des tiges d'anodes sur les petits cadres, moyens qui sont connus en eux-mêmes et ne font pas l'objet de l'invention. La figure 2 est une vue transversale au niveau des petits vérins de commande individuelle des anodes. La figure 3 représente, en vue transversale, la traverse rigide de liaison entre les deux éléments rigides du cadre collectif. La figure 4 représente, en vue latérale, le vérin de commande d'un des deux cadres collectifs. La superstructure de la cuve est constituée par un portique en acier formé de deux poutres horizontales rigides (1), (1') appuyées, à leurs extrémités, sur deux pieds (2) (2') (fig. 4). Sur chaque poutre est fixé un ensemble de bielles (3) (3') et de leviers (4) (4'), qui supportent un cadre collectif rigide, en acier, composé de deux poutres tubulaires (5) (5'), correspondant chacune à une ligne d'anodes, liées entre elles par des traverses de liaison (6). Cette liaison peut être rigide, comme on l'a représenté sur la figure 4, ou articulée. Les deux systèmes de bielles (3) (3') et de leviers (4) (4') sont actionnés par deux vérins mécaniques à vis (7) (7') fixés sur l'un des pieds (2) du portique, chaque vérin actionnant, par l'intermé- diaire du levier d'extrémité (8) (8'), en montée ou en descente, le cadre rigide (5) (5'). Les leviers (4) sont fixés à la poutre fixe par l'articulation (4a), et reliés aux deux parties de la bielle (33 par les articulations (4b) et (4c), et ils agissent sur la poutre tubulaire (5) par la biellette (40) reliée au levier (4) par l'articulation (4d) et à la poutre (5) par l'articulation (Sa). Le levier d'extrémité (8) est fixé à la poutre fixe par une articulatior (8a) à la tête du vérin (7) par une articulation (8b), et å l'extrémité du -levier (3, par l'articulation (8c). Le cadre collectif (5) (5') supporte, par l'intermédiaire de petits verins mécaniques à vis (9) des petits cadres individuels (10) Le courant d'électrolyse est amené, de façon habituelle, par des montées positives rigides telles que (11), sur un croisillon fixe en aluminium comportant deux barres horizontales (12) (12') reliées par des traverses équipotentielles (13). Le courant est distribué sur des cosses en aluminium (14) par des clinquants souples (15). Les cosses (14) sont immobilisées dans les cadres individuels (10) sur lesquels les tiges d'anodes (16) viennent en contact. Le dispositif (17) de serrage des tiges d'anodes (16) sur les cadres individuels (10) peut être de tout type connu, par exemple, celui qui fait l'objet du brevet FR 2 039 543 (D. DUCLAUX) (=brevet US 3 627 670) la vis de serrage étant, dans le cas représenté, en position horizontale et non verticale. Chaque sous-ensemble : vérin (9), cadre individuel (10) supporte une paire d'anodes (18) (19). Cette disposition n'est pas obligatoire et on ne sortirait pas du cadre de l'invention en faisant commander, par chaque vérin, une seule anode ou plus de deux. Les petits vérins individuels (9) peuvent être actionnés, soit chacun par un moteur électrique ou pneumatique, soit par un seul moteur distribuant son mouvement par un jeu d'arbres de transmission. Dans ce dernier cas, la liaison arbre-vérin comporte un ernbrayage qui permet,lorsque le moteur commun tourne, d'actionner ou non le vérin. En outre, il est possible de prévoir des moyens de guidage dés tiges d'anode. Le dispositif qui vient d'être décrit peut remplir trois fonctions 1. Commande collective des anodes Si l'ensemble du plan anodique doit être relevé ou abaissé, pour mo du fier la distance anode-cathode en fonction des impératifs de la régulation, les petits vérins (9) ne sont pas actionnés. Les anodes sont liées rigidement aux cadres collectifs (5) (5'). Ce sont les vérins (7) (7') qui sont commandés simultanément. Un couplage méca nique (20) assure la synchronisation exacte de leur mouvement. Les deux poutres (5) (5') montent ou descendent simultanément, en syn chronisation, et le plan anodique se déplace parallèlement à lui même. Ce mode de fonctionnement est équivalent à celui que procure une mécanisation classique. 2."Déballage" ou suppression de l'effet anodique On sait que les cuves de production d'aluminium sont sujettes au phé nomène dit "d'emballage" ou encore de "polarisation" ou "d'effet ano dique", qui se traduit par une augmentation brusque de la chute de potentiel, aux bornes de la cuve, de 4 volts environ à 35 ou 40 volts avec baisse corrélative de l'intensité. Ce phénomène perturbe la cuve qui en est affectée et retentit aussi sur toute la série. On l'attribue généralement à la formation d'une gaine gazeuse sous le plan anodique. I1 est connu que l'on peut faire cesser l'effet anodique par divers moyens tels que l'addition d'alumine (dont l'effet n'est pas instantané) le soufflage d'air comprimé sous le plan anodique, le "perchage", introduction d'une perche de bois sous le plan anodique, difficilement praticable dans les cuves modernes entièrement capotées, et aussi par un mouvement des anodes qui provoque le décrochage de la gaine de gaz. Dans le brevet US 2 061 146, déposé le 3 Décembre 1934, L. FERRAND avait proposé un balancement des anodes, efficace, mais d'une réalisation délicate. Le mouvement de montée-descente du plan anodique, efficace et couramment pratiqué à l'heure actuelle, présente l'inconvénient de faire varier le niveau de l'électrolyte. Sur les cuves modernes à alimentation continue centrale,la hauteur du bain liquide est relativement importante, et le rapport entre la surface des anodes et la surface totale du bain est grand. Les variations d'immersion des anodes provoquent donc de grandes variations de hauteur de bain. Cela présente plusieurs inconvénients - pour éviter les débordements de bain hors de la cuve, il faut appro fondir le creuset, ce qui alourdit l'investissement - une partie du bain vient recouvrir le dessus des anodes et se solidi fie, réduisant le volume du bain liquide, donc la capacité de la cuve à dissoudre l'alumine. La couche de bain solidifié qui recouvre ainsi les anodes à chaque manoeuvre de descente, finit par devenir très im portante en fin de vie des anodes. I1 y a donc des difficultés supplé mentaires pour nettoyer ces anodes et recycler le bain solidifié. De plus, le bain liquide couvrant les anodes vient lécher les rondins d'acier (21) (qui servent de support des anodes et d'amenées de cou rant), qui sont attaqués,ce qui augmente la teneur en fer de l'alumi nium produit. Le dispositif, objet de l'invention, permet d'effectuer le "déballage" à niveau de bain constant en abaissant une ligne d'anodes et en éle vant simultanément., et d'une hauteur- égale l'autre ligne d'anodes. Pour cela, le couplage (20) entre les deux vérins (7) et (7') est sup primé ou remplacé par un couplage croisé autorisant des mouvements d'amplitude identique et de sens opposé. Un dispositif de repèrage, tel que compte-tours sur les moteurs ou tout moyen connu de mesure de déplacement, permet d'assurer la remise en synchronisme des vérins et l'identité de niveau des plans anodiques de chaque ligne d'anode. Lorsque la liaison entre les deux éléments rigides du cadre collectif est rigide (fig.3) le cadre collectif, au cours de cette manoeuvre, prend une légère inclinaison qui est donc répercutée sur le plan ano dique mais son amplitude demeure très faible, de l'ordre de quelques degrés. On crée donc ainsi un basculement alternatif du plan anodique qui provoque des mouvements horizontaux du bain sans variation de ni veau. Si la liaison entre les deux éléments rigides du cadre collectif est articulée, le plan anodique reste, au cours de cette manoeuvre de va-et-vient vertical, parfaitement horizontal. I1 en est de même,bien entendu, si les deux éléments du cadre collectif sont mécaniquement indépendants. 3 Commande individuelle des anodes Lorsque l'intensité du courant traversant une anode, ou un groupe de deux anodes dans le cas représenté, s'écarte de la valeur de consigne, le système de régulation, un ordinateur en général, élabore un ordre de réglage qui actionne, dans le sens voulu, montée ou descente, le petit vérin (9) correspondant. Pendant cette opération, les vérins (7) (7') ne sont pas commandés et les cadres collectifs (5) (5') restent fixes. L'amplitode du mouvement individuel de chaque anode ou groupe d'anodes peut être fixée à volonté : dans une réalisation particulière appliquée à une série de cuves d'électrolyse à 280.000 ampères, comportant deux lignes de 20 anodes, commandées par groupe de deux, on a fixé cette amplitude à * 30 millimètres. La vitesse de rotation de ces vérins peut être faible, ce qui confère au réglage une très grande précision et permet de régler le courant passant dans chaque groupe de deux anodes à 14.000 ampères avec une précision de + 1 Ó. Dans ces cuves, 13 distance moyenne anode-nappe d'aluminium cathodique est de l'ordre de 40 millimètres. Outre ces trois fonctions principales, le dispositif, objet de l'invention, permet, au démarrage d'une cuve, de désolidariser facilement la liaison entre les petits vérins (9) et le cadre collectif (5), ce qui permet de conserver pendant le préchauffage, lorsque les anodes sont posées sur la cathode, une liaison électrique entre les clinquants souples (15) et les tiges d'anodes (16),tout en autorisant librement les dilatations et les mouvements des anodes. Par ailleurs, la réalisation de liaisons entre les petits vérins (9) et les petits cadres individuels (10) peut être étudiée pour laisser un certain degré de liberté aux anodes,sans être préjudiciable au contact électrique entre la tige d'anode (16) et la cosse en aluminium (14).La chute de tension à la jonction anode-croisillon (12) reste faible malgré les imprécisions de positionnement des anodes. De plus, avant de changerilneannde, il est possible de la relever quelque peu juste avant l'opération. On diminue ainsi sensiblement le courant qui la traverse et on évite de détériorer par des effets d'arc,les cosses (14) lorsque la tige (16) décolle de la cosse (14). Enfin, la hauteur des cosses (14) est faible par rapport à la hauteur des croisillons classiques, ce qui permet de réduire la hauteur de la cuve et de raccourcir les tiges d'anodes et la longueur du circuit des conducteurs, minimisant ainsi les investissements initiaux et les chutes de tension en fonctionnement de façon non négligeable. Au total, la mise en oeuvre de l'invention permet d'ajuster à tout moment, et de façon précise, la position du plan anodique, de contrôler le courant passant dans chaque anode ou groupe d'anodes, et d'assurer le déballage rapide de la cuve, sans variation du niveau de l'électrolyse, assurant ainsi un fonctionnement stable et un rendement optimal. REVENDICATIONS 1/ Procédé de réglage précis du plan anodique d'une cuve ourla production d'aluminium, par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, dont le système anodique comporte une pluralité d'anodes précuites, disposées en deux lignes parallèles, et munies de tiges de suspension connectées électriquement à un croisillon qui assure l'arrivée positive de courant et dont le plan cathodique est constitué par la nappe d'aluminium liquide produit, caractérisé en ce que sur chaque ligne d'anodes, on connecte les tiges de suspension de chaque anode, ou de chaque groupe d'anodes d'une part à des petits vérins individuels, d'autre part au croisillon d'amenée de courant positive par l'intermé- diaire de clinquant souple, en ce que l'on connecte les petits vérins individuels de chacune des deux lignes d'anode à un cadre collectif rigide, horizontal,en ce que l'on relie entre eux les deux cadres collectifs rigides et en ce que l'on connecte chaque cadre collectif rigide à un moyen séparé, mais accouplable de réglage de hauteur. 2/ Procédé de réglage précis du plan anodique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait varier la distance entre le plan cathodique et l'ensemble des anodes en agissant, en synchronisme, sur les moyens de réglage de hauteur de chaque cadre collectif rigide, et en interrompant l'alimentation des moyens de commande des petits vérins individuels pendant que les moyens de réglage des cadres collectifs rigides sont en action. 3/ Procédé de réglage précis du plan anodique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste l'intensité du coursant passant dans chaque anode ou dans chaque groupe d'anodes en mesurant l'intensité de ce courant, en la comparant à une valeur de consigne, en élaborant un ordre de correction qui est envoyé à chacun. des petits vérins individuels commandant les anodes ou groupes d'anodes dont l'intensité s'écarte de la valeur de consigne, et en interrompant l'alimentation des moyens de réglage hauteur des deux cadres collectifs rigides pendant que les petits vérins exécutent les ordres de correction. 4/ Procédé de réglage, précis du plan anodique,selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l'apparition de l'emballement (ou "effet d'anode") d'une cuve, on interrompt les moyens de commande des petits vérins individuels et on agit séparément, et en synchronisme, sur les moyens de réglage en hauteur de chaque cadre collectif rigide, de façon à relever l'un des cadres d'une hauteur prédéterminée et à abaisser simultanément l'autre cadre d'une hauteur identique, chaque cadre restant horizontal, et le niveau du bain de cryolithe fondue restant constant, puis on effectue la manoeuvre inverse, et ainsi de suite, à plusieurs reprises, jusqu'à ce que l'emballement ait cessé, ce qui se manifeste par le retour de la tension aux bornes de la cuve à une valeur voisine de 4 volts. 5/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de réglage précis du plan anodique d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte - un portique fixe formé par au moins une poutre rigide horizontale (1) munie d'appuis (2) à ses extrémités, - un cadre collectif formé par deux éléments rigides horizontaux (5,5') correspondant chacun à une ligne d'anodes, supportés chacun par le por tique fixe (1) par un ensemble de bielles et de leviers (3) (3') (4) (4') qui permettent aux deux éléments rigides (5) ( 5'), de se déplacer par rapport au portique, en montée ou en descente, tout en restant horizontaux, un moyen de commande (7) (7') séparé, mais accouplable de chaque en semble de bielles (3) et de leviers (4), - une pluralité de moyens de commande individuelle (9) de montée ou de descente des anodes, reliés, d'une part, au cadre collectif et, d'autre part, à une pluralité de petits cadres individuels (10), - des moyens de liaison électrique et mécanique (17) entre les petits cadres individuels (10) et les tiges de suspension des anodes, - des moyens de liaison électrique (1S) entre les croisillons (12,12') et les petits cadres individuels (10). 6/ Dispositif selon revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de liaison mécanique (6) entre les deux éléments rigides du cadre collectif. 7/ Dispositif selon revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de liaison mécanique (6) entre les deux éléments rigides du cadre collectif sont rigides. 8/ Dispositif selon ravndication 6, caractérisé en ce que les moyens de liaison mécanique entre les deux éléments rigides du cadre collectif sont articulés. 9/ Dispositif selon revendication 5 caractérisé en ce que la liaison électrique entre le croisillon et les petits cadres individuels est assurée par des clinquants souples (15).