Brevet FR2552549A1 — publié le 19850329

SONDE POUR LA MESURE DE LA CONCENTRATION EN ALUMINE DANS UN BAIN D'ELECTROLYTE. La présente invention concerne une sonde pour mesurer la concentration en alumine dans un bain d'électrolyte, la sonde comprenant une anode et une cathode, qui comportent chacune une surface de travail destinée à être en contact avec l'électrolyte, et un matériau électriquement isolant destiné à isoler l'anode et la cathode l'une de l'autre. Les piles ou vases de réduction de l'aluminium sont traditionnellement contr 8 ôlés manuellement L'une des interventions les plus importantes requises de l'opérateur est d'initier l'alimentation de l'alumine vers la pile, une appréciation et des connaissances de base considérables étant exigées de l'opérateur Le rendement des piles dépend du pourcentage d'alumine dans l'élec15 trolyte, qui est normalement compris entre environ 1 % et environ 8 %. Le mode d'opération des piles industrielles change lorsque le contenu en alumine tombe à environ 1-1/2 %, et à cet instant apparaît un "effet d'anode" Cet effet 20 d'anode nécessite une tension atteignant 10 fois la tension d'opération normale pour forcer le vase soumis à l'effet d'anode à laisser passer l'intensité normale du circuit du vase Dans une série de piles électrolytiques dans laquelle il existe une limitation de la tension de 25 ligne, un effet d'anode dans un vase signifie que la tension aux bornes des vases restants est diminuée, et le courant de ligne diminue donc légèrement, par exemple de 2 % Si plusieurs piles de réduction de la ligne présentent simultanément des effets d'anode, l'intensité 30 dans la ligne peut tomber jusqu'à 10 % au dessous des niveaux d'opération normaux Cette diminution de l'intensité signifie que les piles restantes ne produisent pas autant d'alumine qu'elles le feraient si l'intensité était au niveau qui est possible lorsqu'il n'existe aucun effet d'anode dans la ligne. Du fait que les effets d'anode impliquent une perte de production et un coût plus élevé de l'installa5 tion de réduction, il est habituel de fournir l'alumine aux piles selon un plan tel que les effets d'anode n'aient pas lieu plus d'environ une fois par jour et par vase Dans certains types de piles, il est possible de supprimer l'effet d'anode pendant une durée encore plus 10 élevée par une alimentation planifiée de l'alumine. Cependant, plus l'opérateur s'approche d'une suppression complète de l'effet d'anode, plus il s'approche d'une alimentation excessive, ce qui conduit à une quantité d'alumine non dissoute excessive dans l'électrolyte. Finalement, si une alimentation excessive est maintenue, le vase devient "malade", ce qui provoque également une perte de production et ce qui entraîne en outre un échauffement excessif dans la pile. Un procédé pour déterminer la concentration en alumineconsiste à prélever des échantillons dans le bain et à réaliser une analyse chimique Les inconvénients de ce procédé résident dans le fait qu'il est d'un coût et d'une durée considérables, durée pendant laquelle le vase, s'il est proche de la concentration limite minima25 le en alumine, peut engendrer un effet d'anode. Les opérateurs impliqués dans la réduction de l'alumine en faisant appel au processus électrolytique ont depuis longtemps souhaité disposer d'une instrumentation qui permettrait la détermination directe et rapide du 30 pourcentage d'alumine dissoute dans l'électrolyte cryolite Dans le brevet U S n 3 471 390, dont le contenu est incorporé ici par référence, est enseigné un tel système de mesure de la concentration en alumine. Le système comprend une alimentation reliée à une sonde pouvant être immergée comportant une anode et une cathode, des moyens pour appliquer une tension d'amplitude croissante à la sonde et des moyens pour indiquer la concentration en alumine de la pile, correspondant à l'apparition d'une augmentation brutale de la résistance entre l'anode et la cathode de la sonde, c'est-à-dire d'un effet d'anode. Bien que ce système de mesure de la concentration en alumine soit efficace, on a constaté des problèmes concernant la sonde utilisée Tout d'abord, la distance 10 entre les surfaces actives de l'anode et de la cathode est relativement élevée, et cette distance est augmentée par le fait que les surfaces de l'anode et de la cathode ne s'éteident pas dans un plan commun, ce qui implique la circulation d'un courant électrique "tournant autour 15 d'un coin" de l'anode vers la cathode En outre, des problèmes d'assemblage ont résulté de la nécessité de faire appel à un cément carboné ou réfractaire pour construire la sonde, afin que les divers éléments de celleci, une fois assemblés les uns aux autres, soient étanches au bain d'électrolyte cryolite-alumine fondu hautement pénétrant. Il s'est également avéré souhaitable de pouvoir déterminer la température du bain en association avec la mesure de sa teneur en alumine. La sonde de l'invention est caractérisée en ce qu'au moins les parties des surfaces de travail de l'anode et de la cathode adjacentes l'une à l'autre s'étendent sur une surface commune inclinée par rapport à l'axe de la sonde. Grace à cet agencement, on peut pallier les inconvénients des sondes à alumine de l'art antérieur De plus, les éléments constituant l'anode, la cathode et l'isolant sont de préférence assemblés par montage à force, pour réaliser une sonde "étanche au bain" dans l'aide de céments carbonés ou réfractaires, pour ainsi donner à la sonde une fiabilité supérieure En outre, un capteur de température peut être monté à l'intérieur de l'anode de la sonde, pour permettre ainsi une mesure concurrente à la fois de la concentration du bain en alumine et de la température du bain. La sonde de concentration d'alumine perfectionnée selon la présente invention est décrite plus en détail ci-dessous, à titre d'exemple, en référence au dessin annexé, sur lequel la figure unique est une vue en coupe transversale de la sonde de concentration en alumine selon la présente invention. En référence à la figure est illustrée une sonde de concentration d'alumine perfectionnée 1 Cette sonde 1 est mise en service en la positionnant à l'intérieur 15 du bain d'électrolyte d'une pile électrolytique et en appliquant des tensions croissantes entre l'anode et la cathode de la sonde 1 jusqu'à ce que soit obtenue une augmentation brutale de la résistance entre l'anode et la cathode de la sonde 1, pour ainsi produire un "effet 20 d'anode" L'opération de mesure est décrite plus en détail dans le brevet U S n 3 471 390, dejà cité, et les détails de l'opération de mesure, qui ne sont pas importants pour la description de la présente invention, ne seront pas répétés ici. La sonde 1 comprend une anode carbonée 10, qui est entourée d'un isolant réfractaire 16, une cathode carbonée 12 et un tube extérieur 18 L'anode 10 est carbonée, et est conventionnellement constituée de graphite. L'isolant 16, qui isole électriquement l'anode 10 de la 30 cathode 12, est constituée d'un réfractaire capable de supporter la nature corrosive du bain cryolite-alumine auquel est soumise la sonde 1 Le matériau préféré pour cet isolant 16 est le nitrure de bore Cependant, du fait que ce n'est pas la sonde toute entière 1 qui est exposée 35 à l'électrolyte, une partie supérieure 14 de l'isolant 16 pourra être constituée d'une autre matière réfractaire, telle que l'alumine Dans ce cas, l'isolant 16 sera constitué de deux parties La cathode 12 est formée du même matériau carboné que l'anode 10, c'est-à-dire de préférence de graphite. Afin de maintenir la sonde "étanche au bain", l'isolant 16 est monté à force dans la cathode 12, et l'anode 10 est montée à force dans l'isolant 16 Ceci ne peut être accompli par une pression de la main, mais peut être réalisé par exemple à l'aide d'une presse hydraulique et une matrice d'alignement Bien que les matériaux constituant la sonde 1 soient cassants, les qualités lubrifiantes à la fois du nitrure de bore et du graphite facilitent l'assemblage de ces éléments. Pour accomplir ce montage à force, on devra respecter des tolérances serrées Ainsi, le diamètre extérieur de l'isolant 16 ne devra pas être supérieur ou inférieur de 0,05 mm au diamètre intérieur de la cathode 12, et le diamètre de l'anode 10 ne devra pas être supérieur ou inférieur de 0,05 mm au diamètre intérieur de l'isolant 16. Une fois que les éléments 10, 12 et 16 sont assemblés, une surface généralement conique 11 est formée au bout de la sonde 1 Cette surface 11 définit une surface 25 de travail active unique pour à la fois pour l'anode 10 et pour la cathode 12, pour permettre une circulation électrique sur des distances courtes entre ces deux éléments, ce qui augmente fortement la fiabilité de la sonde 1 Lors de l'utilisation de la sonde 1, la surface 30 11 va s'user, comme le font l'anode et la cathode dans une pile réductrice de production conventionnelle, et le bout 11 pourra être affuté à nouveau plusieurs fois avant qu'il devienne nécessaire de remplacer l'anode 10, l'isolant 16 et la cathode 12. La cathode 12 est électriquement reliée au système de mesure (non représenté) via une tige 30, qui est vissée à son extrémité 26 et reliée à la ligne électrique 36 par son autre extrémité La tige 30 peut être formée d'un métal conducteur, tel que l'acier inoxyda5 ble, l'Inconel (marque déposée) ou le nickel. De même, une tige 27, qui peut être constituée du même matériau que la tige 30, est vissée sur l'anode à son extrémité 24 et reliée à la ligne électrique 38 à son autre extrémité La tige 27 s'étend à l'inté10 rieur d'un tube 28, lequel tube est formé d'un matériau non conducteur tel que l'alumine, ainsi que des lignes électriques 40 et 42 Ces lignes électriques 40 et 42 sont des raccordements à un thermocouple 20 qui est positionné à l'intérieur de l'anode 10 et qui est utili15 sé pour mesurer la température de la sonde 1, et donc du bain dans lequel la sonde est placée. L'ensemble décrit ci-dessus est alors mis en place à l'intérieur d'un carter comprenant un tube 18, lequel tube 18 est formé d'un matériau qui doit être capable de supporter le bain électrolytique Des matériaux typiques qui peuvent constituer ce tube 18 comprennent l'acier inoxydable, l'acier soudé, l'Inconel et le Monel (marques déposées) L'ensemble anodecathode est maintenu en place au moyen d'une vis 22 qui traver25 se le tube 18 et pénètre dans la cathode 12 Il est important que la vis 22 ne traverse pas l'isolant 16, ce qui conduirait à un court-circuit. Enfin un matériau isolant, tel que l'alumine métallurgique finement divisée, est versé sur l'ensem30 ble anode-cathode en une couche 32, afin d'inhiber l'oxydation de l'anode 10 et de la cathode 12 et d'assurer une isolation thermique pour réduire les pertes caloriques à partir du sommet de la sonde 1 et éviter que le bain électrolytique ne gèle sur la surface 11. 35 Un capot d'extrémité 34 est mis en place pour achever l'assemblage Il faut noter que le matériau isolant 32 peut s'étendre, le cas échéant, jusqu'au capot 34. Lors de la réalisation de la surface 11, sur laquelle a réellement lieu la mesure, il est important que la surface d'anode de ladite surface 11 soit d'au moins 0,2 cm, afin d'assurer une reproductibilité appropriée des résultats, et que la surface 11 ait des contours inclinés, tels que la surface conique illustrée, et ne soit pas une surface horizontale plane. 10 Si on le souhaite, la surface 11 pourra être hémisphérique; il est cependant beaucoup plus difficile de conformer et de remettre en forme une telle surface. Ainsi, l'important est que les surfaces de travail de l'anode et de la cathode s'étendent sur une surface 15 commune qui ne soit ni parallèle, ni perpendiculaire à l'axe de la sonde. REVENDICATIONS 1 Sonde pour la mesure de la concentration en alumine dans un bain d'électrolyte, la sonde comprenant une anode ( 10) et une cathode ( 12), qui comportent chacune une surface de travail destinée à être en contact avec l'électrolyte, et un matériau électriquement isolant ( 16) disposé de manière à isoler 'l'anode et la cathode l'une de l'autre, caractérisée en ce qu'au moins les parties des surfaces de travail de l'anode et de la cathode adjacentes l'une à l'autre s'étendent sur une surface commune ( 11) inclinée par rapport à l'axe de la sonde. 2 Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anode ( 10) est entourée d'un matériau électriquement isolant ( 16), et en ce que la cathode ( 12) 15 entoure le matériau électriquement isolant. 3 Sonde selon la revendication 2, caractérisée en ce que le matériau isolant ( 16)-est monté à force dans la cathode ( 12), et en ce que l'anode ( 10) est montée à force dans le matériau isolant. 4 Sonde selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la surface commune ( 11) est conique. Sonde selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que la surface commune ( 11) est hémisphérique. 6 Sonde selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, caractérisée en ce que la surface de travail de l'anode ( 10) est d'au moins 0,02 cm 7 Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'anode ( 10) est formée de graphite. 8 Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cathode ( 12) est formée de graphite. 9 Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le matériau électriquement isolant ( 16) est'du nitrure de bore. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une partie ( 14) du matériau isolant ( 16) qui n'est pas en contact avec l'électrolyte est en alumine. 11 Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un capteur de température ( 20) disposé à l'in10 térieur de la sonde.