Brevet FR2546183A1 — publié le 19841123

-1 2546183 - 254 1 ECRAN SOUS-CATHODIQUE COMPORTANT DES ZONES DEFORMABLES, POUR LES CUVES D'ELECTROLYSE HALL-HEROULT L'invention se rapporte à la construction des cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult Elle concerne plus particulièrement un écran destiné à empêcher l'infiltration des constituants de l'électrolyte dans l'espace sous-cathodique. Les cuves pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult sont constituées universellement par un caisson métallique dont le fond est garni de matériau réfractaire et isolant, qui supporte les blocs carbonés formant la cathode sur laquelle se dépose l'aluminium liquide L'étan- chéité entre les blocs cathodiques et entre les blocs cathodiques et les parois du caisson, est généralement assurée par une pâte carbonée à base de brai et de coke ou d'anthracite. Dès la première chauffe, il peut se former, par le jeu des dilatations différentielles, des fissures par lesquelles l'électrolyte fondu -cons- titué essentiellement par de la cryolithe commence à s'infiltrer Cette infiltration de cryolithe tend à dégrader les propriétés isolantes du matériau réfractaire sous-jacent L'aluminium liquide peut également s'infiltrer par les mêmes voies, et donc attaquer les réfractaires iso- lants situés entre la cathode carbonée et le caisson métallique En effet ces réfractaires comportent généralement de la silice ou des silicates, réductibles par l'aluminium liquide. En outre, en particulier pendant les premiers mois de fonctionnement de la cuve d'électrolyse, il se produit une imprégnation progressive du garnissage carboné de la cuve par des éléments constitutifs du bain d'électrolyse, et en particulier le sodium et le fluor Après avoir tra- versé le garnissage carboné, ces imprégnations sodo-fluorées peuvent at- taquer le garnissage isolant sous-jacent. En conséquence de cette dégradation des isolants thermiques par les im- prégnations, l'isolation thermique de la cuve diminue, et les pertes thermiques augmentent Cela est directement néfaste pour la consommation énergétique à la tonne d'aluminium produite, mais a également pour con- séquence qu'il est difficile de trouver un équilibre thermique satisfaisant -2- pour l'ensemble d'une série comportant de nombreuses cuves d'âge diffé- rent. Pour limiter les effets de ces infiltrations et imprégnations, on a pro posé de placer, au-dessus du matériel isolant, une couche protectrice d'acier (brevet FR -A 2 388 901 = US -A 4 175 022) Mais, pour qu'un tel écran soit efficace, la demanderesse a constaté qu'il faut lui con- férer une épaisseur relativement importante (plus de 5 mm); en outré. il doit être continu, et sa p Ari Dhérie doit être maintenue à une tempé- rature suffisamment basse ( 500 à 6000 C) pour éviter que les infiltrations sodo-fluorées (cryolithe) ne le contournent. Dans ces conditions, un écran épais monobloc présente deux inconvénients majeurs l'écart de température entre le centre (env 9000 C) et la périphérie (env 5000 C) de l'écran provoque un flux thermique important vers la périphérie de la cuve, ce qui ỏdifie son régime thermique de façon inacceptable, et dégrade les consommations énergétiques. cet écart de température engendre des dilatations thermiques différen- tielles importantes entre le centre et la périphérie de l'écran, ce qui provoque des déformations très néfastes pour le garnissage et pour la cathode. L'objet de l'invention est un écran-métallique en acier, placé sous la base des blocs carbonés constituant la cathode de la cuve d'électrolyse, et s'étendant au moins sur tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une tôle d'acier con- tinue dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie ayant au moins 5 mm, et de préférence de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable absorbant les contraintes dues aux écarts de température entre la partie centrale, située à l'aplomb de la cathode, et la partie périphérique. La zone déformable peut être constituée par au moins un profilé fermé, d'épaisseur de paroi inférieure à l'épaisseur de la tôle d'acier épaisse ou par au mains un profilé ouvert d'épaisseur de paroi égale ou inférieure 254618 B -3 - à l'épaisseur de la tôle d'acier épaisse, ou encore par une tôle d'acier d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de l'écran épais, disposée à la périphérie dudit écran, s'étendant dans la zone située sensiblement à l'extérieur de l'aplomb des blocs cathodiques, reliée à l'écran épais par une soudure continue. L'écran peut également être constitué en deux parties distinctes, l'une, épaisse, ayant au moins 5 mm d'épaisseur, munie de moyens d'absorber lès contraintes de dilatation, l'autre, constituée d'une pluralité de tôles minces en relation superposée, chacune ayant moins de 5 mm d'épaisseur, disposées entre la base des blocs carbonés et la partie épaisse, à' l'aplomb de la cathode. L'écran peut, enfin, comporter en outre une partie supérieure formée par une semelle en acier raccordée à chaque barre cathodique par une soudure, et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base infé- rieure du bloc carboné correspondant. Les figures 1 à 4 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 représente un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, selon lequel les contraintes thermiques sont absorbées par la déformation d'un tube. La figure 2 représente des variantes de mise en oeuvre de ce premier mode de réalisation ( 2 A et 2 B). La figure 3 représente un deuxième mode de mise en oeuvre, selon lequel la zone déformable est constituée par une tôle mince soudée à la périphé- rie de l'écran en tôle épaisse. La figure 4 représente un dispositif d'écran complémentaire, lié aux barres cathodiques. La cathode de la cuve d'électrolyse est constituée par des blocs carbonés ( 1), assemblés par des joints ( 2) en pâte carbonée. La barre cathodique en acier ( 3) est scellée à la fonte dans un logement. -4- ( 4), à la base du bloc carboné ( 1) Séparé par un lit de pose pulvérulent ( 5), l'écran ( 6) en tôle d'acier d'une épaisseur au moins égale à 5 mm, (et de préférence comprise entre 8 et 12 mm), est constitué par un certain nombre de sections ( 6 A, 6 B) reliées par l'intermédiaire d'un profilé creux tel ou'un tube en acier ( 7) sur laquel elles sont soudées Dar un cordon continu étanche ( 8) L'épaisseur des parois du tube ( 7) est inférieure à l'épaisseur de la tôle-écran ( 6) de façon que les tubes constituent une zone de déformation qui absorbe les dilatations de l'écran elle peut être par exemple égale à la moitié ( 3 mm pour une tôle-écran de 6 smn). L'écran repose sur le garnissage ( 9) du fond du caisson. Il est possible d'augmenter l'efficacité de l'écran ( 6) et sa durée de vie en disposant entre la base des blocs cathodiques ( 1) et l'écran ( 6) une ou plusieurs tôles d'acier ( 10) de faible épaisseur ( 1 à 3 mm par exemple) qui agissent en quelque sorte, comme barrière sacrificielle, visà-vis des infiltrations sodo-fluorées qui se produisent de manière prépondérante lors des premiers mois de fonctionnement de la cuve d'électrolyse. D'autres variantes de réalisation apparaissent sur la figure 2: l'élé- ment absorbant les dilatations peut être un tube carré (Il) dont l'épais- seur de paroi est également de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de l'écran, ou un profilé ouvert tel qu'un demi-tube carré ( 12), qui offre plus de souplesse, mais peut constituer un point de faiblesse du fait de l'épaisseur réduite, et du risque de percée plus rapide qui en résulte. La disposition ( 13) de la figure 2 B est également très favorable du point de vue de la souplesse, mais présente le même inconvénient. La figure 3 illustre le second mode de mise en oeuvre de l'invention Elle montre, très schématisée, une cuve d'électrolyse en coupe transversale, avec le caisson métallique ( 14), le garnissage latéral ( 15) en pâte car- bonée, les blocs cathodiques ( 1) dans lesquels sont scellées les barres cathodiques ( 3) en acier, la nappe d'aluminium liquide ( 16), l'électrolyte ( 17), le système anodique ( 18), le lit de pose ( 9) de l'écran ( 19) et le briquetage calorifuge du fond du caisson. L'écran ( 19) est constitué par une tôle épaisse en acier ( > 5, et de pré- férence environ 8 à 12 mm) dans toute la partie o le gradient thermique est faible, c'est-à-dire sensiblement à l'aplomb des blocs cathodiques ( 1) La température des différentes parties de l'écran est indiquée dans la partie inférieure de la figure 3. Dans la zone périphérique de l'écran, o règne un gradient thermique im- portant ( 800 à 5000 C), on l'a prolongé par une partie périphérique en tôle mince ( 21), par exemple 2 à 5 mm, donc moins conductrice de la cha- leur et plus facilement déformable, notamment en traction La tôle mince est reliée à la partie épaisse par une soudure continue étanche ( 22) De préférence, cette tôle mince présentera à froid ( 201 C) une limite d'allon- gement à la rupture supérieure à 2 %. Dans tous les cas, il est préférable que la partie épaisse de l'écran représente plus de 50 % de la surface totale des blocs cathodiques La partie périphérique amincie, déformable, est située de préférence hors de l'aplomb de la cathode, c'est-à-dire dans la région à gradient thermique élevé. Comme dans le cas de la figure 1, l'écran peut être soit posé directement sur le briquetage isolant thermique ( 20), soit sur un lit de pose inter- médiaire ( 9), et il peut être séparé des blocs cathodiques par le lit de pose pulvérulent ( 5). Un autre moyen pour améliorer l'efficacité et la durée de vie de l'écran consiste à utiliser, simultanément, le dispositif objet de notre demande de brevet français 83 qui consiste en une semelle de tôle d'acier épaisse ( 23) raccordée à chaque barre cathodique ( 3) par soudure et en contact électrique avec au moins 50 %' de la surface de la base du bloc carboné ( 1) soit directement, soit par l'intermédiaire d'une couche de liaison ( 24), élastique et conductrice du courant par exemple du feutre de graphite ou de carbone. Cette semelle, outre qu'elle constitue un premier barrage à la pénétra- tion de produits d'imprégnation sodo-fluorés, offre l'avantage de mettre en présence, de part et d'autre du lit de pose ( 5) deux matériaux identi- ques (acier), et de supprimer ainsi le risque de formation d'une pile électrochimique dans le cas o le lit de pose posséderait -ou acquerrait- une conductivité ionique La corrosion électrochimique de l'écran ( 6) est -6- ainsi évitée, et la corrosion chimique (nar les produits d'imprégnation), fortement retardée. La mise en oeuvre de l'invention permet d'augmenter sensiblement la durée de vie des cuves d'électrolyse, et de maintenir jusqu'à la fin, les per- tes thermiques aussi faibles que possible. -7- REVENDICATIONS 1 Ecran métallique en acier, destiné à empêcher l'infiltration du métal et des constituants de bain d'électrolyse dans le garnissage réfractaire et calorifuge du caisson d'une cuve pour la production d'aluminium par le procédé HALL-HEROULT, cet écran étant placé sous la base des blocs carbo- nés constituant la cathode de la cuve d'électrolyse et dans lesquels sont. scellées les barres cathodiques, et s'étendant au moins sur tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une tôle d'acier continue telle que ( 6) ou G 9) dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie ayant au moins 5 ',m, et de préférence de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable absorbant les contraintes dues aux écarts de température entre la partie centrale, située à l'aplomb de la cathode, et la partie périphé- rique. 2 Ecran métallique, selon revendication 1, caractérisé en ce que la zone déformable est constituée par au moins un profilé fermé ( 11), d'épaisseur de paroi inférieure à l'épaisseur de la tôle d'acier épaisse. 3 Ecran métallique, selon revendication 1, caractérisé en ce que la zone déformable est constituée par au moins un profilé ouvert ( 12) d'épaisseur de paroi égale ou inférieure à l'épaisseur de la tôle o'acier épaisse. 4 Ecran métallique, selon revendication 1, caractérisé en ce que la zone déformable est constituée par une tôle d'acier ( 21) d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de l'écran épaisi disposée à la périphérie dudit écran, s'étendant dans la zone située sensiblement à l'extérieur de l'aplomb des blocs cathodiques ( 1), reliée à l'écran épais tel que ( 19) par une soudure continue ( 22), et présentant à froid ( 200 C) un allonge- ment avant rupture supérieur à 2 %. Ecran métallique, selon revendication 7, caractérisé en ce qu'il est constitué en deux parties distinctes, l'une épaisse, ayant au moins 5 mm d'épaisseur, munie de moyens d'absorber les contraintes de dilatation, l'autre constituée d'une pluralité de tôles minces ( 10) en relation super- posée, chacune ayant moins de 5 min d'épaisseur, disposées entre la base: des blocs carbonés ( 1) et la partie épaisse ( 19), à l'aplomb de la cathode. 6 Ecran métallique, selon revendication 1 ou 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une partie supérieure formée par une semelle en acier ( 23) raccordée à chaque barre cathodique ( 3) par une soudure, et en con- tact électrique avec au moins 50 N de la surface de la base inférieure du bloc carboné ( 1) correspondant. l