Brevet FR2546184A1 — publié le 19841123

BARRE CATHODIQUE COMPORTANT UNE SEMELLE METALLIQUE, POUR 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 une barre cathodique comportant une semelle métallique, destinée à augmenter la section de passage et à uniformiser la répartition du courant cathodique. La cathode d'une cuve d'électrolyse Hall- Héroult est constituée par la juxtaposition d'un ensemble de blocs carbonés, munis, à leur base ihférieure, d'une (ou parfois deux) rainure(s) ouverte(s) dans lesquelles sont scellées, généralegment par coulée de fonte, des barres d'acier de section carrée, rectangulaire ou circulaire, sur lesquelles sont raccordés les conducteuPs de liaison entre les cuves successives formant une série. Les barres d'acier servant à l'extraction du courant cathodique offrent donc une surface de contact limitée avec le carbone, ce qui provoque une chute de tension non négligeable à l'interface carbone/fonte. Pour réduire cette chute de tension, il est également connu d'augmenter la section de la barre acier, au moins dans la zone scellée dans le carbone, tout en gardant une section normale ou rétrécie à la traversée de la partie extérieure du calorifugeage de la cuve, de façon à éviter des fuites thermiques trop importantes. Cependant, une telle action est forcément limitée, car l'épaisseur de carbone des ailes de la rainure doit être suffisante pour résister mécaniquement aux contraintes dues à la dilatation thermique de la barre cathodique, et de son scellement, lors de la mise en régime de la cuve. La présente invention a pour objet d'augmenter de façon substantielle (plus de 10 , o) la section d'acier disponible pour l'évacuation du cou- rant cathodique, et la surface de contact entre le carbone et les conducteurs cathodiques. Elle consiste à munir chaque barre cathodique d'une semelle métallique, en contact électrique avec la base horizontale de chaque bloc carboné, la semelle étant soudée à la barre cathodique pour assurer le passage du courant électrique. La figure 1 se rapporte à l'art antérieur. Les figures 2 à 11 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. Les figures 1 à 11 sont des représentations en coupe. La figure 1 montre la disposition classique d'un bloc cathodique carboné (1) dans lequel la barre (2A) est scellée par de la fonte (3). Dans ce cas, la barre affleure à la base du bloc carboné. Sur la partie droite de la figure 2, la barre (2 B) dans une variante d'exécution, peut dépasser plus ou moins du plan de base du bloc carboné (3). Les blocs cathodiques successifs sont assemblés le plus souvent par un joint (4) en pâte carbonée. La figure 2 illustre un premier mode de mise en oeuvre de l'invention. Sur la barre cathodique (2), on a soudé deux tôles épaisses en acier doux (5) reliées à la base du bloc carboné (l) par une couche de matériau élastique électriquement conducteur (6). En variante (figure 2A), la semelle en acier (5) peut être constituée par un colaminé acier-cuivre, la face cuivrée (5A) étant en contact soit directement avec le bloc carboné (1), soit par l'intermédiaire de la couche conductrice élastique (6). De préférence, l'épaisseur de la couche de cuivre (5A) doit être supérieure à une valeur minimale, que l'on peut estimer à environ 5 S de la couche d'acier, correspondant à la solubilité du cuivre dans l'acier à 900-950ac, de façon que toute la couche de cuivre ne disparaisse pas par diffusion à l'état solide dans l'acier. La malléabilité du cuivre à chaud facilite l'établissement d'un bon contact avec le bloc cathodique et peut, le cas échéant, compenser en partie des déformations de la semelle en acier. En outre, la conductivité électrique du cuivre étant très supérieure à celle de l'acier, il s'ensuit un abaissement significatif de la chute de tension dans les collecteurs cathodiques. La figure 3 rnontre les quatre stades 3a, 3b, 3c, 3d de la procédure utilisée pour réaliser le montage de la figure 2. La figure 3a montre la première étape : Le bloc de carbone (1) ayant été retourné pour que la rainure (7) se présente vers le haut, on scelle la barre cathodique (2) par coulée de fonte (3). La figure 3b montre la deuxième étape Après scellement de la barre cathodique (2), on pose sur la face supérieure du bloc retourné une couche élastique (6), conductrice électrique on peut avantageusement utiliser un feutre de carbone ou de graphite, ou encore une feuille de graphite laminé, ou encore un complexe formé par collage d'une bande de feutre. de carbone ou de graphite et d'une bande de graphite laminé. A titre d'exemple, on peut utiliser des feutres de graphite RVC, ou du "PAPYEX" (R) (marques déposées par la Société "Le Carbone-Lorraine"). La figure 3c montre la troisième étape On pose sur la couche de liaison élastique (6) la semelle (5) constituée par deux tôles épaisses en acier que l'on applique fortement, par pressage, sur la couche de liaison élastique (6). On peut alors réaliser des cordons de soudure (8), de préférence continus, pour relier ces tôles épaisses à la barre cathodique : on a ainsi réalisé une semelle d'acier reliée électriquement à la barre cathodique. LXpais- seur de la semelle est au moins égale à 4 mm et, de préférence, au moins égale à 10 mm et généralement de l'ordre de 10 à 15 mm. La section de la barre cathodique peut être, par exemple, de 160 x 120 mm. a figure 3d montre le bloc carboné cathodique remis en position normale par retournement. La figure 4 montre une variante de l'invention ou la semelle d'acier est située à cheval entre deux blocs carbonés cathodiques, et en contact électrique avec ces deux blocs. La figure 5 montre qu'au moment de la réalisation du montage, il est préférable de prévoir un léger jeu entre les semelles (5) de deux blocs adjacents (1) et (1') de façon que lorsque la température de fonctionne- ment normal est atteinte, et du fait de la dilatation plus importante de la semelle d'acier comparativement au bloc carboné, les bords des deux semelles adjacentes (5) et (5'), se retrouvent en contact avec une pression juste suffisante pour assurer une soudure à chaud de ces bords entre eux, sans que cette pression ne soit excessive au point d'entrainer une déformation des semelles, préjudiciables au contact électrique entre blocs carbonés et semelles d'acier. Les extrémités en regard des deux semelles adjacentes (5 et 5') peuvent être perpendiculaires a" plan de la semelle -et parallèles entre ellescomme représenté, sur la figure ou taillées en biseau (figures Sa, 5b). Les flans des biseaux de (5) et (5') peuvent être parallèles entre eux (5A) ou non (5B). Pour empêcher la pénétration de produits pulvérulents provenant du lit de pose (11) dans le jeu (9) entre les deux tôles (5) et (5') on peut prévoir l'interposition d'une bande de tôle mince (10) faisant office de joint. Cette tâle évite également que la pâte carbonée qui remplit le joint (4) ne s'écoule, lors de la première chauffe, dans l'espace (9). La valeur du jeu (9) nécessaire au montage ou à la pose dépend de la nature exacte du bloc carboné : à base d'anthracite, ou semi-graphite ou semi-graphitisé ou graphite, et de la dimension exacte des blocs et des semelles, ainsi que de la nature et de l'épaisseur du joint entre blocs carbonés : blocscollés entre eux ou séparés par un petit joint (4) de pâte de brasque. Généralement, ce jeu sera défini par un rapport e/L de l'ordre de 1 à 2 . La figure 6 montre le détail de montage des bandes d'étanchéité (10). La bande supérieure (10A) est soudée par exemple sur la tôle (5) et la bande inférieure (lOB) est soudée sur la tôle (5') de telle sorte que, lors de la première chauffe, elles peuvent coulisser librement et prendre leur place définitive. Par ailleurs, et à condition de prévoir un rainurage adéquat dans les blocs cathodiques (1), on peut placer à la partie inférieure du joint (4) une pièce en graphite à faible porosité (12) qui améliore l'étanchéité du joint (4) et réduit les risques dinfiltration de cryolithe fondue lors du démarrage de la cuve d'électrolyse. La figure 7 montre une autre variante de réalisation du joint entre les semelles (5 et 5') de blocs cathodiques adjacents (1) et (1'). On renonce à établir une soudure directe entre (5) et (5') et on dispose dans le jeu (9) un joint souple (14), de préférence conducteur électrique et compres sible, tel que de la tresse de graphite, ou un tube métallique -à paroi mince (épaisseur inférieure à la moitié de l'épaisseur de la semelle (5) ou (5'), reposant librement entre les bandes lOA et lOB. On peut, en outre, au montage, prévoir. un recouvrement et un collage des feuilles de matière carbonée élastique (13) qui améliore l'étanchéité du joint, dans le but précédemment indiqué. La figure 8 représente une autre variante, dans laquelle le joint carboné (14) est remplacé par un tube (15) déformable, soudé préalablement à au moins une des semelles (5) ou (5'), qui absorbe les effets de dilatation et que l'on peut remplir d'un matériau pulvérulent inerte pour limiter l'oxydation interne à chaud. Bien entendu, de telles liaisons souples ou déformables peuvent être uti lisées pour la jonction entre les demi-écrans d'un même bloc lorsque celui-ci comporte un scellement avec des demi-barres d'acier, séparées au centre du bloc-par un espace de dilatation. Les figures 9 et 10 illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans le cas des blocs carbonés (1) munis de deux barres cathodiques parallèles (2C et 2D), disposition que l'on rencontre parfois dans le but d'augmen ter la surface de contact avec le bloc carboné. Sur la figure 9, il apparaît que l'on a procédé au scellement simultané des deux barres 2c, 2D par coulée de fonte (3,) , l'épaisseur e de la plaque de fonte entre les deux barres étant, de préférence, inférieure ou égale à la différence des côtes ho et hl (e La semelle (6) peut être en tôle d'acier simple ou mixte acier-cuivre comme on l'a décrit précédemment. Sur la figure 10, les deux barres cathodiques 2C, 2D ont été scellées individuellement, puis reliées par soudure avec une tôle (21) prddéformée en volte, de façon à obtenir, à chaud, un bon contact électrique avec la partie centrale du bloc carboné par l'intermédiaire de la couche conductrice élastique (6). Dans tous les cas représentés (figures :2 à 10), la semelle métallique est en contact avec la base des blocs carbonés -directement ou-par linter- médiaire du matériau élastique (6)- sur au moins 20 Dó de la surface de cette base. La figure 11 montre, de façon très schématique, la coupe transversale partielle d'une cuve d'électrolyse selon l'invention, avec le caisson métallique externe (16) le brasquage latéral (17) en pâte carbonée, le bloc carboné cathodique (1) surmonté par la nappe d'aluminium liquide (18), l'électrolyte (19) et le système anodique (20), la barre cathodique (2) en acier, scellée à la fonte (3), et la semelle (4) en acier, objet de l'invention. On note que la section de la barre cathodique (2) est réduite dans la traversée de la partie externe du garnissage (17) et du caisson (18). La mise en oeuvre de l'invention procure de nombreux avantages que l'on peut expliciter de la façon suivante 1 - La semelle métallique sur chaque barre cathodique (une cuve peut en comporter plusieurs dizaines) augmente d'au moins 10 QD et jusqu'd 20 à 50 QD la section de passage du courant cathodique et la surface de contact acier-carbone avec réduction corrélative de la chute de tension au contact acier-carbone. 20- La semelle métallique assure une meilleure répartition du courant sur toute la surface de la cathode d'où diminution des courants horizontaux dans l'aluminium liquide qui ont une influence néfaste sur la stabilité et le rendement de la cuve, en raison des effets tourbillonnaires dans la nappe d'aluminium liquide qui en résultent. 30- La semelle métallique assure également une bonne homogénéité de la température de l'ensemble de la cathode, ce qui réduit d'autant les risques d'infiltration dans les zones chaudes et de condensation dans les zones relativement plus froides. 40- En cas de rupture d'une barre cathodique (par corrosion sous l'effet des infiltrations de cryolithe et d'aluminium liquide) la semelle fonctionne comme collecteur de secours, ce qui retarde d'autant le moment où il faudra arrêter et démonter la cuve pour refaire la cathode. En outre, le déséquilibre électrique de la cuve est limité, ce qui est favorable pour le rendement FARADAY pendant la période séparant la rupture d'une barreet l'arrêt de la cuve. 5 - Enfin, et bien que cela ne soit pas sa fonction essentielle, la semelle métallique constitue un premier barrage à l'infiltration et aux imprégnations sodofluorés et cryolithaires en direction de l'espace sous cathodique et du calorifuge sous-jacent. REVENDICATIONS 1 - Barre cathodique assurant l'extraction du courant d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult, scellée dans au moins une rainure (7) ouverte à la base de chacun des blocs carbonés (1) formant la cathode de la cuve d'électrolyse, caractérisée en ce que ladite barre cathodique (2) se prolonge par une semelle métallique (5) en contact électrique avec la base des blocs carbonés (1) sur au moins 20 OD de la surface totale de cette base. 2 - Barre cathodique, selon la revendication 1, caractérisée en ce que la semelle (5) est constituée par une tôle métallique d'une épaisseur au moins égale à 4 mm, etf de préférence, au moins égale à lu mm, soudée à la barre cathodique (2) avant la mise en place du bloc carboné (1) dans la cuve. 30- Barre cathodique, selon la revendication 2, caractérisée en ce que la semelle métallique est en t81e d'acier. 40- Barre cathodique, selon revendication 2 caractérisée en ce que la semelle métallique est un composite fer-euivre, dont la partie en cuivre est tournée vers le haut, face à la base du bloc carboné. 5 - Barre cathodique, selon revendication 4, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie en cuivre est au moins égale à 5 S de l'dpais- seur de la partie en acier. 60- Barre cathodique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le contact électrique entre la semelle (5) et la base du bloc carboné (1) est assurée par au moins une couche de matériau élastique (6) conducteur de l'électricité. 70- Barre cathodique, selon la revendication 6, caractérisée en ce que le matériau élastique (6) est un produit carboné choisi parmi le feutre de carbone, le feutre de graphite, la feuille de graphite laminé et les complexes de feuilles de graphite laminé collés sur un feutre de graphite ou de carbone. 80- Barre cathodique, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les semelles (5) et (5') de deux blocs cathodiques adjacents (1) et (1') sont séparés par un espace (9) tel, qu'elles viennent en contact lorsqu'elles ont atteint, en service, leur température d'équilibre, qui se situe entre 800 et 9000C environ. 90- Barre cathodique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les semelles (5) et (5') de deux blocs cathodiques adjacents (1) et (1') sont séparées par un espace.(9) muni d'un joint souple (14). lOQ- Barre cathodique selon la revendication 8 ou 9, caractérisée en ce que l'espace (9) est mupi de moyens d'obturation tels que (1ou), (lOB) ou (15).