Brevet FR2582808A1 — publié le 19861205

METHODE DE DETERMINATION D'UNE ZONE ISOTHERME DANS UNE MASSE Un objet de la présente invention est de procurer une méthode de détermination d'une zone isotherme dans une masse. Cet objet, ainsi que d'autres objets qui deviendront apparents au cours de l'exposé qui va suivre, sont atteints par un procédé qui consiste à disposer un matériau dans la masse, ce matériau ayant la capacité d'enregistrer une zone isotherme, à soumettre la masse à un traitement thermique, et à vérifier ledit matériau pour déterminer l'emplacement de l'isotherme par rapport à la masse. L'exposé ci-dessus se réfère au dessin annexe sur lequel: - la figure 1 est une vue en perspective de la charge d'un four et illustre un mode d'introduction d'une feuille de métal en vue de la mise en oeuvre de la présente invention. - la figure 2 est une vue en perspective qui représente les surfa- ces isothermes déterminées conformément à la présente invention. Selon la présente invention, on peut tracer des cartes des zones isothermes spécifiques au moment o la pénétration de la chaleur est maximum pendant la durée des cycles de chauffage rencontrés dans la cuisson des anodes de charbon pour la fabrication d'aluminium. Cette technique peut permettre de déterminer facilement, et avec précision, au sein d'une charge d'anodes (section de chariot (pour tunnel) ou section de fosse (four circulaire)), les positions atteintes par des isothermes spécifiques au moment de la pénétration maximum. On peut, par exemple, mesurer trois zones isothermes particulières, à savoir: les isothermes de 1080 C, 1107 C et 1160 C. (L'isotherme de 1080 C, basée sur le point de fusion du cuivre, est la plus fiable). Il en résulte des cartes de zones délimitées par des isothermes. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n 3 009 863 illustre l'utili- sation de chariots (référence 20 sur la figure 2 de ce brevet) de 2 2582808 transport d'une charge d'anodes dans un four tunnel, en vue de la transformation, par cuisson, des ébauches d'anodes de charbon en ce que l'on appelle des anodes "précuites" utilisées dans la production d'alu- minium par électrolyse d'alumine dissoute dans un bain de fusion à base de cryolite. Un autre exemple de technologie en four-tunnel apparaît dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 4 235 830. Sur la figure 3 de ce brevet représente le chariot 22 transportant, à travers le four une charge d'éléments en carbone, par exemple des anodes. La cuisson des électrodes de charbon dans les fosses des fours circulaires est, par exemple, décrite dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n 3 975 149. Le brevet des Etats Unis d'Amérique n 4 131 417 représente un autre exemple d'un brevet illustrant une invention dans le contexte d'un four circulaire. En se référant à la figure 1, on voit que la présente invention est mise en oeuvre par la distribution du matériau sous la forme de feuilles dans la masse d'une charge d'anodes de charbon. Ainsi, par exemple, des feuilles 10a, 10b de cuivre (cuivre électrolyte ou autre qualité de haute pureté) sont placées entre des couches d'anodes 11 avant leur chauffage. La feuille 10a est placée à la verticale, tandis que la feuille 10b est placée à l'horizontale. Les feuilles peuvent être fixées ou libres. Les feuilles fondent progressivement lorsque des températures supérieures à 1080 C passent à travers la masse qui contient la feuille. La figure 3 du brevet des Etats Unis d'amérique n 3 009 863 mentionné cidessus est un exemple de la façon dont on peut, dans un four-tunnel, contrôler la température pendant la cuisson des anodes. Lorsque la masse d'anodes se déplace à travers le four, sa température monte d'abord, puis redescend. Lorsque la charge des anodes sort à l'autre extrémité du four, on la démonte sans perturber la disposition des feuilles par rapport aux anodes restantes. Apres récupération, comme le montre la figure 2, les interfaces de fusion 12a et 12b sont clairement visibles. Les interfaces de fusion représentent un enregistrement matériel de la distance à laquelle la zone isotherme correspondant au point de fusion du cuivre a pénétré dans la masse représentée par la charge des anodes. Cet enregistrement 3 2582808 constitué par les interfaces de fusion permet une interpolation et une extrapolation de la zone isotherme à 1080 C en termes de surface iso- therme 13. La chaleur n'est pas conduite à une distance significative le long de la surface de la fine feuille de cuivre qui reste infondue; seule une legère distorsion est ainsi introduite par la présence de ce matériau à conductivité thermique élevée dans la masse à cuire. Cet erreur négligeable se réduit tout au plus à un déplacement de 2,5 à 5 cm de la surface isotherme dans une direction perpendiculaire à cette surface. Lorsque l'on vérifie l'isotherme par détermination des interfaces fondues 12a et 12b, il y a deux cas spécifiques à considérer: 1.- Feuille horizontale Plus la feuille utilisee est grande, en étendue et en épais- seur, plus l'évaluation devient facile. Si la longueur de l'inter- face augmente, elle offre plus de points de vérification et d'interpolation à travers les zones intéressées. Les feuilles plus épaisses donnent lieu à un déplacement plus important de matière et sont donc plus faciles à évoluer. Des compromis intéressants entre l'épaisseur et le coût sont, par exemple, réalisés par l'utilisation de feuilles de Cu de 1,5 à 2,3 mm d'épaisseur pour une opération dans un four circulaire, et de 1,0 mm pour une opération en four-tunnel. Points clés à considérer: (a) une section transversale affaissée, (b) surface lisse passant brusquement à une surface très irrégulière; (c) arrondissement des coins et formation de surface en forme de ménisque; (d) empreintes laissées par des débris de corps étrangers dans les zones fondues; (e) changement de couleur. En général, une fois qu'une interface fondue est identifiée dans une application donnée, l'interprétation des autres données est tout à fait simple. Au contraire, si pour une raison quel- conque, il ne se présente pas d'interface sur l'échantillon (échantillon à la mauvaise place; trop froid ou trop chaud), la présence de lignes d'oxydation ou d'autres artifices de réaction peut être confondue avec la ligne de fusion. Comme on l'a exposé 4 2582808 ci-dessus, l'observation d'une ligne de fusion vraie élimine toute confusion. 2.- Feuille verticale En général, tout métal fondu s'écoule immédiatement hors de l'interface et produit une délimitation nette entre la zone de de métal et toute zone exempte de métal, ce qui est souvent accompa- gné de "coulées de cire". L'isotherme à 1107 C se détecte sur des feuilles de cuivre par une ligne fondue de sulfure dicuivreux (chalcocite), composé formé par la réaction de la surface de la feuille de cuivre solide avec le soufre appartenant contenu dans le coke a anodes. Puisque le cuivre lui-même fond à 1080 C, on ne trouvera la ligne de fusion de la chalcocite que sur la surface de la feuille horizon- tale de cuivre qui a fondue et s'est ressolidifiée pendant le cycle de chauffage-refroidissement du processus de cuisson. Cette isotherme n'est pas représentée sur la figure 2. Le Cu2S est d'une nature tellement fragile que des craquelures ou un émiettement peuvent rendre l'interprétation impossible. Dans quelques applications (pellets dans les fours), le Cu2S, produit de la réaction, peut être clairement observé par présence ou absence d'une coquille de Cu2S en forme de pellet autour-d'un noyau de cuivre saturé de soufre et puddlé (surface supérieure enfoncée, base élargie par la fusion). La troisième isotherme a 1160 C se détecte par la limite de fusion d'une fine feuille continue d'acier au carbone (ASTM 1008 à 1090). Dans ce cas, le carbone réagit avec la masse du fer et le sature de carbone, ce qui produit un alliage qui fond à la température de l'eutectique (1160 C). Ceci permet de dessiner la zone ou surface isotherme 14 de la figure 2. Cette zone isotherme à 1160 C est moins fiable que celle à 1080 C de Cu. On peut remplacer la feuille de cuivre par des bandelettes ou des pellets pour opérer un repérage multiple des positions spécifi- ques afin de réaliser une surveillance en vue du contrôle du processus. De même, on peut remplacer la feuille d'acier par des pastilles fer- carbone à 4,1%. L'usage de pellets pré-alliés est utile à cause des faibles vitesses de diffusion du carbone dans les sections des pastilles comparativement plus épaisses que la fine feuille de fer. Il est avantageux d'utiliser des pellets du fait que cela ne crée pas une trajectoire définie par du métal continu et que l'on élimine 2582808 sensiblement la faible perturbation introduite par des feuilles conti- nues. Mais, par comparaison avec l'utilisation de feuilles, une extra- polation et interpolation plus importantes sont nécessaires. Le fer et le cuivre ne doivent pas être en contact, car le cuivre empêcherait le carbone de diffuser dans l'acier. De même, l'acier ne fournit pas de résultats précis lorsque le temps d'exposition à une température supérieure à 1000 C est court (moins d'environ 10 heures) ou lorsque les vitesses de montee en tempé- rature sont inférieures à 25 /h et lorsque d'autres réactions fer/impu- retés commencent à devenir prédominantes. En cas d'exposition à des cokes à teneur en soufre elevee, il peut devenir nécessaire d'augmenter l'épaisseur de la feuille de cuivre de facon telle qu'il subsiste une solution solide renfermant du soufre et riche en cuivre au moment o l'on atteint la température de 1080 C. Une feuille complètement transformée en chalcocite perd sont identité - chimique à cause de la réaction: Cu2S + 1/2 S2 > 2CuS Des mélanges de Cu2S et CuS auront alors des points de fusion variables. Bien que des points de fusion uniques offerts par des matériaux purs soient avantageux, on peut également utiliser des matériaux alliés. Ainsi, des compositions eutectiques donnent également des points de fusion uniques comme le font des composés chimiques. Pourvu qu'une attention suffisante soit portée à l'écart entre le solidus et le liquidus dans le cas des alliages dont la composition diffère de la composition eutectique, on peut également utiliser ces alliages non- eutectiques. Par exemple, la différence de température entre le solidus et le liquidus peut être relativement faible de telle sorte que l'erreur qu'elle pourrait introduire peut être négligeable dans la détermination des isothermes lors de la cuisson des anodes. On peut même utiliser des alliages qui sont des solutions complètes, la précision étant alors déterminée par: (1) la précision des données de point de fusion; (2) l'écart solidus-liquidus; et (3) la pente des courbes de solidus et liquidus. Il est évident d'après les considérations qui précèdent que les matériaux d'enregistrement des isothermes, formés d'alliages ou de composés, peuvent être fournis sous une forme pratiquement prête à l'emploi tels que, par exemple, les pellets carbone-fer à 4,1% ou bien 6 2582808 peuvent être préparés sur place par combinaison avec d'autres éléments par réaction, ou diffusion à partir de la masse, comme dans le cas du fer pur ou d'un acier à faible teneur en carbone mis au contact des anodes de charbon, ou encore dans le cas du cuivre pur mis au contact du charbon contaminé par du soufre, en vue de former de la chalcocite. Le procédé selon l'invention présente plusieurs avantages particu- liers par comparaison avec les procédés classiques faisant usage d'un thermocouple ou d'une méthode de pyrométrie optique pour surveiller les températures de cuisson des anodes. Ce sont: 1.- la possibilité de mesurer les températures au fond d'une fosse d'un four circulaire. Auparavant, on ne pouvait pas mesurer des températures de fosse dans des points situés derrière le point chaud d'un four fonctionnant à des températures de cuisson éle- vées. Le puits du thermocouple, normalement formé d'un tuyau en acier doux dans lequel le thermocouple s'étend jusque dans la fosse en traversant la masse d'anodes, serait détruit par fusion, ce qui rendrait impossible des lectures à plus grande profondeur. Ou encore, si on ne se servait pas d'un puits, c'est le thermo- couple lui-même qui serait détruit. Par contre, le procédé selon l'invention permet d'obtenir des données à n'importe quel point oO le matériau de matérialisation de l'isotherme est récupérable. 2.- la possibilité de mesurer des températures d'une charge mobile (four-tunnel), éliminant la nécessité de procéder à des surveil- lances compliquées, fastidieuses et non fiables au cours des- quelles il faut tirer des fils de thermocouple ou à des tests de télémétrie par thermocouple/radio à haute température. 3.- la possibilité de lire automatiquement la température de pointe, même si cette pointe se produit à différents endroits à des moments différents. Les thermocouples nécessitent une lecture en continue ou un échantillonnage fréquent pour obtenir les mêmes données. Ceci demande beaucoup de travail et comporte le risque de défaillances des thermocouples ou de variations dans leur cali- brage. 4.- la possibilité, lorsqu'on l'applique systématiquement, de détermi- ner le sens de transmission de la chaleur. Lorsqu'on peut cons- truire une isotherme, celle-ci est normale au flux de chaleur en tout point quelconque. Ob obtient ainsi des données précieuses pour la conception et le fonctionnement du four. 7 2582808 Il est bien entendu que la description ci-dessus de la présente invention est susceptible de diverses modifications, changements et adaptations accessibles aux spécialistes et qui rentrent dans le cadre de la présente invention définie par les revendications ci-jointes. REVENDICATIONS 1.- Procédé de détermination d'une zone isotherme dans une masse, qui consiste à distribuer, dans cette masse, un matériau capable d'en- registrer une zone isotherme, à soumettre cette masse à un traitement thermique et à déterminer à l'aide dudit matériau la position de cette zone isotherme par rapport à la masse, ce matériau étant constitué essentiellement par une feuille, et la zone isotherme étant indiquée par un tracé sur cette feuille. 2.- Procéde selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau présente un point de fusion unique. 3.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse contient du soufre et, ledit matériau renferme du cuivre, cependant que ledit tracé représente la courbe de fusion d'un composé de soufre et de cuivre. 4.Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse contient du carbone et, ledit matériau renferme du fer, cependant que ledit tracé représente une interface de fusion d'une structure eutec- tique der fer-carbone. 5.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau se combine avec la masse, et qui consiste, en outre, à utiliser ce matériau en quantité suffisamment grande pour que la totalité du maté- riau ne se combine pas avec la masse pendant ledit traitement thermique. 6.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit traitement thermique est effectué dans un four circulaire. 7.- Procéde selon la revendication 1, dans lequel ledit traitement thermique est effectué dans un four-tunnel. 8.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse comprend des articles à base de carbone. 9.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit matériau comprend un métal. 10.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la capacité du matériau à enregistrer la zone isotherme est basée sur la formation d'un produit de combinaison avec la masse. 11.- Procédé selon la revendication 10, dans lequel le produit de combinaison est un composé chimique. 12.- Procédé selon la revendication 11, dans lequel la masse comprend du soufre, le matériau comprend du cuivre, le dérivé étant un sulfure de cuivre. 13.- Procédé selon la revendication 12, dans lequel le sulfure de cuivre est la chalcocite. 14.- Procédé selon la revendication 10, dans lequel le produit de combinaison est une composition sensiblement eutectique. 15.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit tracé représente l'interface de fusion de la feuille elle-même. 16.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel ledit tracé est une ligne de fusion d'un revêtement de la feuille.