Brevet FR2552450A1 — publié le 19850329

Cellule de réduction d'alumine Il est conventionnel de produire de l'aluminium métal par réduction électrolytique d'alumine dissoute dans un bain de cryolite fondu selon le processus de Hall-Heroult. Ce processus de réduction de l'alumine est mis en oeuvre dans une cellule ou "vase" thermiquement isolé qui contient le bain alumine-cryolite Le fond de la cellule, typiquement constitué d'un matériau carboné, recouvre une partie de l'isolation thermique 10 de la cellule et constitue une partie de la cathode. Le fond de la cellule peut être constitué d'un certain nombre de blocs carbonés liés ensemble à l'aide d'un cément carboné, ou peut être formé en utilisant un mélange tassé de matière carbonée finement broyée et de brai L'anode, qui comprend généralement un ou plusieurs blocs carbonés, est suspendue au-dessus du fond de la cellule Une couche ou "tampon" d'aluminium fondu repose au fond de la cellule et est considérée par le bain comme la vraie cathode L'anode, qui plonge dans le bain, 20 est normalement espacée du tampon d'une distance d'environ 3,8 -à 7,6 cm Le bain alumine-cryolite est maintenu au-dessus du tampon sur une profondeur d'environ 15,2 à 30,5 cm. Lorsque le bain est traversé par un courant élec25 trique, l'alumine est réduite en aluminium sur la cathode, et le carbone est oxydé en son dioxyde sur l'anode L'aluminium ainsi produit est déposé sur le tampon et déversé périodiquement à la suite de son accumulation. Pour que le processus électrolytique progresse de 30 façon efficace, la réduction de l'alumine devra avoir lieu sur une surface formant cathode d'aluminium, et non sur la surface carbonée découverte du fond de la cellule. Ainsi, on considère qu'il est important que le tampon recouvre entièrement le fond de la cellule. Du fait que l'aluminium fondu mouille, ou se disperse en couche mince, difficilement sur les matériaux carbonés, le tampon sera mieux matérialisé sous forme d'un globule massif situé sur le fond de la cellule Dans des piles plus grandes, les courants denses de l'électrolyse donnent naissance à de puissants champs magnétiques, ce qui provoque parfois une agitation violente du tampon et son amon10 cellement dans des régions déterminées à l'intérieur de la cellule Ainsi, le tampon doit être assez épais pour que ses mouvements ne découvrent pas la surface nue du fond de la cellule En outre, l'anode doit être suffisamment espacée du tampon pour éviter des court-circuits et 15 minimiser la ré-oxydation de l'aluminium. De plus, les mouvements du tampon ont un effet néfaste qu'il n'est pas toujours facile de contrôler Pour une cellule donnée opérant sous un courant d'électrolyse spécifique, il existe une distance de travail idéale entre la 20 cathode et l'anode, pour laquelle le processus aura le meilleur rendement énergétique Cependant, l'éloignement nécessaire de l'anode dû aux turbulences du tampon empêche de conserver en permanence cette distance de travail idéale. En outre, du fait que le tampon est dans un état mouvant, 25 on a à faire face à une distance de travail non uniforme et variable Cette distance entre électrodes variable peut provoquer une usure ou consommation irrégulière de l'anode Les turbulences du tampon peuvent également provoquer une augmentation de la réaction inverse ou ré30 oxydation sur l'anode des produits cathodiques, ce qui abaisse le rendement de la cellule En outre, les turbulences du tampon conduisent à une déformation et à une détérioration accélérées du revêtement de fond par des effets thermiques et par pénétration du cryolite et de ses cons35 tituants. On a suggéré dans la littérature et dans les brevets antérieurs que certains matériaux spéciaux, tels que les métaux durs réfractaires, en particulier le diborure de titane (Ti B 2) ou ses homologues, pouvaient être avanta5 geusement utilisés pour la réalisation du fond de la cellule En outre, il s'est avéré que les métaux durs réfractaires en tuiles pouvaient être encastrés dans le fond de la cellule, en s'élevant verticalement à travers la couche d'aluminium fondu et dans le bain cryolite-alumine, 10 les extrémités supérieures de ces tuiles constituant la cathode réelle Lorsqu'une cathode d'une telle conception est utilisée, il est possible de conserver un espacement précis entre les surfaces actives ou réelles de la cathode et de l'anode, car un tel système n'est pas perturbé par 15 le tampon d'aluminium fondu en mouvement permanent qui tient lieu de surface de cathode réelle. D'une façon idéale, par opposition aux produits carbonés conventionnels, ces métaux durs réfractaires sont chimiquement compatibles avec le bain électrolytique 20 pour les hautes températures de la cellule en opération, et sont également chimiquement comparables à l'aluminium fondu. En outre, ces matériaux spéciaux de fond de cellule sont mouillés par l'aluminium fondu Ainsi, le tampon de métal habituel ne sera plus nécessaire, et l'aluminium fondu pourra être maintenu au fond de la cellule sous forme d'une couche relativement mince et à la mesure des quantités qui s'accumulent entre les étapes de déversement normales. Malgré tous leurs côtés bénéfiques au processus de réduction, il existe un problème associé à l'utilisation de tuiles de métal dur réfractaire sous forme d'organes en saillie verticalement dans le bain alumine-cryolite. Lorsqu'ils sont fixes à des substrats carbonés, tels 35 que la cathode carbonée d'une cellule réductrice, une érosion a lieu à l'interface carreau de métal dur réfractaire/substrat carboné en présence d'aluminium fondu et d'électrolyte On estime que cette érosion est de nature principalement chimique, l'aluminium fondu mouillant la surface des tuiles et réagissant avec le carbone pour former du A 14 C 3, qui se dissout alors dans l'électrolyte Ceci établit un mécanisme de suppression du carbone à l'interface avec les tuiles, et provoque par la suite le détachement des tuiles cathodiques 10 du substrat carboné. Parmi les brevets antérieurs qui traitent de l'élimination de l'interface tuiles de métal dur réfractaire/ substrat carboné, il existe les brevets US Nos 4 349 427 et 4 376 690 Dans le brevet US No 4 349 427 est décrite 15 une structure à plateau amovible formé d'un matériau réfractaire, tel que le carbure de silicium, dans lequel sont noyés des profilés ou des morceaux de métal dur réfractaire Dans le brevet US No 4 376 690, des profilés de carbure de silicium sont montés sur le fond de tuiles 20 de métal dur réfractaire, les profilés de carbure de silicium étant conçus pour glisser en place dans ou audessus du substrat carboné Ces deux brevets nécessitent la réalisation de structures physiques complexes et onéreuses Ainsi, ces structures n'ont pas été largement uti25 lisées dans la production. Un objet principal de la présente invention est donc d'éliminer la cause de la réaction métal dur réfractaire/ substrat carboné tout en conservant les avantages de la cathode mouillée en métal dur réfractaire et la liaison 30 électrique à un substrat pratique pour la cathode active sans qu'il soit nécessaire de faire appel à des structures physiques complexes et onéreuses. A cet effet, et selon la présente invention, des manchons réfractaires inertes sont encastrés dans le substrat 35 carboné Ces manchons tiennent lieu de supports pour les tuiles de métal dur réfractaire, celles-ci étant glissées dans les manchons Les manchons réfractaires éliminent l'interface métal dur réfractaire/substrat carboné, pour ainsi empêcher d'avoir lieu la réaction métal dur réfrac5 taire/substrat carboné mentionnée plus haut Simultanément, les manchons constituent un mécanisme simple pour l'enlèvement et le remplacement des tuiles de métal dur réfractaire au cours du fonctionnement de la cellule, ce qui réduit sensiblement le temps nécessaire pour la remise en 10 route. La cellule de réduction d'alumine de la présente invention est décrite plus en détail en référence au dessin annexé, sur lequel la figure unique est une vue en élévation de côté d'une -cellule de réduction d'alumine, la paroi 15 d'extrémité étant retirée, selon une forme de réalisation de l'invention. La figure représente une cellule de réduction d'alumine 1 selon l'invention Des blocs d'anode 10, formés d'un matériau carboné, sont suspendus à l'intérieur d'un bain 16 20 d'alumine dissoute dans de la cryolite fondue et sont fix s à une source de courant électrique par des moyens non représentés Une croûte 17 de cryolite-alumine fondue recouvre le bain 16 Des blocs de cathode carbonés 12 peuvent être réunis à l'aide d'un mélange tassé de brai et de matériau carboné broyé, ou au moyen d'un cément carboné, par des moyens bien connus de l'homme de l'art Ces blocs de cathode 12 sont reliés au moyen de barres bus conductrices 20 à la source de courant électrique pour boucler le circuit électrique Des parois extérieures 14 30 constituent les structures de support latérales et d'extrémité de la cellule 1 Les parois 14 peuvent être formées par exemple de blocs de graphite maintenus ensemble par un cément au graphite. Les blocs carbonés 12 comprennent une pluralité de tuiles 22, lesquelles tuiles sont saillantes vers le haut dans le bain cryolite fondue/alumine 16 et constituent la surface cathodique réelle de la cellule 1 Les tuiles 22 sont des tuiles de métal dur réfractaire,qui peut consister en un matériau tel que Ti B 2 ou en un mélange Ti B 2-Al N, 5 ou en d'autres matériaux analogues bien connus de l'homme de l'art, typiquement par pressage à chaud ou par frittage des poudres de métal dur réfractaire pour leur donner leur forme Ces métaux durs réfractaires sont mouillés par l'aluminium fondu, là o ils traversent la couche d'aluminium 10 fondu 18, pour empêcher la formation de globules d'aluminium fondu à l'interface avec les tuiles 22 et réduire les mouvements du tampon d'aluminium fondu 18. Pour minimiser le fissurage au cours de l'utilisation de ces tuiles, dû à la fragilité des métaux durs réfrac15 taires, les tuiles 22 de métal dur réfractaire peuvent être renforcées à l'aide de fibres ou de particules de graphite, de carbone ou de carbure de silicium, qui sont ajoutées aux poudres constituant ces tuiles 22 avant le pressage à chaud ou la cémentation Lors de l'utilisation 20 de fibres, celles-ci peuvent être de longueur aléatoire ou uniforme et sont orientées dans le plan perpendiculaire à la direction du pressage à chaud Les fibres ou les particules agissent pour résister aux efforts de traction qui peuvent résulter d'un fissurage en cours d'utilisation. 25 Selon la présente invention, les tuiles 22 ne sont pas directement fixées au substrat carboné 12 Des manchons ou fourreaux 24 sont encastrés dans le substrat carboné 12 Ces manchons 24 sont formés d'un matériau réfractaire, lequel matériau réfractaire est inerte vis-à-vis de l'alu30 minium fondu Les fourreaux 24 peuvent être cémentés dans des trous formés dans le substrat carboné 12, par exemple à l'aide d'un cément carboné, ou peuvent être formés d'une pièce avec le substrat carboné 12 Les manchons 24 sont formés d'un matériau réfractaire tel que le carbure de 35 silicium, le nitrure d'aluminium, ou le nitrure de bore. -7 Le matériau préféré pour les manchons 24 est un carbure de silicium liaisonné par du nitrure de silicium. Les manchons 24 sont conformés pour permettre aux tuiles 22 d'y être insérées, mais les tuiles 22 ne sont pas fixées dans les manchons 24 Ainsi, lorsque les tuiles 22 sont rectangulaires, les manchons 24 présenteront une ouverture rectangulaire pour permettre aux tuiles d'être reçues dans les manchons 24 De même, si les tuiles 22 présentent la forme de tiges, les manchons 24 pourront 10 être de forme cylindrique. Du fait que les tuiles 22 ne sont pas fixées dans les manchons 24, elles peuvent être facilement retirées et remplacées pendant la production de la cellule, par exemple au cours d'un remplacement d'anodes Cette possi15 bilité de "remplacer à chaud" les tuiles 22 permet, si une ou plusieurs tuiles 22 viennent à être cassées, qu'elles puissent être facilement remplacées, ce qui élimine la nécessité d'arrêter complètement la cellule 1 pour l'intervention. Du fait que les manchons 24 sont inertes, ils neconduisent pas l'électricité entre les tuiles 22 et le substrat carboné 12 Le circuit reste cependant bouclé par l'intermédiaire du tampon d'aluminium fondu 18, lequel tampon 18 conduit l'électricité entre les tuiles 22 et le 25 substrat carboné 12. I 1 est clair à partir de ce qui précède que la présente invention propose des moyens simples mais efficaces pour empêcher l'érosion dans une interface métal dur réfractaire/matériau carboné à l'intérieur d'une cellule 30 de réduction d'alumine. Bien que l'on ait illustré et décrit des formes de réalisation préférées de l'invention, il est clair que des variantes et modifications peuvent être apportées sans sortir du cadre de l'invention. -8 REVENDICATIONS 1. Cellule de réduction d'alumine comportant une anode ( 10), une cathode carbonée ( 12) et une pluralité d'éléments de métal dur réfractaire ( 22) s'étendant verticalement vers le haut à partir de ladite cathode, caractérisée 5 en ce que des manchons réfractaires inertes ( 24) sont encastrés dans la cathode ( 12) et maintenus en place par lesdits éléments ( 22). 2. Cellule selon la revendication 1, caractérisée en ce que les éléments en métal dur réfractaire ( 22) sont 10 constitués de diborure de titane ou d'un mélange diborure de titane nitrure d'aluminium. 3. Cellule selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments en métal dur réfractaire ( 22) sont renforcés par des fibres. 4 Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les manchons réfractaires inertes ( 24) sont constitués de carbure de silicium, de nitrure de silicium,- de nitrure d'aluminium ou de nitrure de bore. 5 Cellule selon la revendication 4, caractérisée en ce que les manchons réfractaires inertes ( 24) sont formés de carbure de silicium liaisonné par du nitrure de silicium.