Brevet FR2584621A1 — publié le 19870116

DISPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE DESTINE AU BRASSAGE DU BAIN DANS LES CUVES D'ELECTROLYSE La présente invention a trait, dans le domaine du génie electrochimique, au secteur de l'électrolyse et, plus particulièrement, à un dispositif permettant de produire un brassage du bain dans les cuves d'électrolytiques. Ce procédé met en oeuvre certains effets de l'électromagnétisme et, plus par ticulierement, l'emploi, la forme et la disposition d'aimants permanents. Il est connu que la production de convections forcées, ou de vibrations mécaniques, dans une cuve à électrolyse, réduit l'épaisseur de la couche limite diffusionnelle et, en conséquence, multiplie le coefficient de transfert de matière ; de plus, la polarisation de concentration se trouve diminuée, ce qui augmente la densité de courant limite. Les avantages qui résultent de ces effets se traduisent par l'amélioration des qualités mecaniques du dépôt électrolytique : production d'une surface plus douce, accroissement de la dureté et la diminution-de la porosité. Selon la tendance actuelle, le mouvement forcé des masses fluides électrolytiques est creé mecaniquement, par des hélices ou par des pompes. Cependant ces procédés présentent l'inconvénient d'être mal adaptés lorsque les anodes, ou les cathodes, à électrolyser possèdent une grande surface car, dans ce cas, les effets hydrodynamiques ne sont pas uniformes ; il en résulte une répercussion sur l'homogénéité et la qualité du dépôt électrolytique. Par ailleurs, les installations susceptibles de génerer des vibrations forcées, dans une gamme de fréquences allant de 5 KHz jusqu'aux ultrasons, et d'amplitude suffisante pour obtenir des effets notables, sont encombrantes, coûteuses et d'un très faible rendement énergétique ; de plus, des nuisances, dues au bruit elevé, sont indissociables de ce principe de fonctionnement. En conséquence, cette méthode n'est pas adoptée, pratiquement. Le dispositif selon l'invention vise à remédier à ces inconvénients et à être appliqué à l'échelle industrielle, même sur les installations de grandes dimensions. L'invention consiste à utiliser une association d'aimants permanents cylindriques "plats", c'est-à-dire dont l'aimantation est principalement orientée dans le sens de leur plus faible dimension. Ces aimants sont asso cies, cOte à cte,-de manière à couvrir une surface de l'ordre de grandeur des électrodes (anode ou cathode) ; de plus, leurs pôles, nord et sud, sont systématiquement disposés en quinconces. L'intérêt de cette disposition est qu'elle permet la création, au voisinage des aimants, d'un champ magnétique tridimensionnel de forte intensité. Les températures des bains électrolytiques étant largement inferieu- res à 200 C, des aimants de constitution quelconque peuvent être utilises, à condition que leur aimantation dans le sens de la plus petite dimension ne soit pas trop faible. L'emploi des ferrites, dont le champ coercitif est éle- vé, qui s' aimantent bien dans le sens- de la plus faible dimension et qui pre- sentent l'avantage d'être peu onéreux, est particulièrement conseillé.A titre d'exemple, on trouve facilement dans le commerce des ferrites de dimensions 10 x 10 x 2,5 cm3 ; ainsi une centaine de ces aimants couvrent une surface de 1 m2 et cet assemblage d'aimants est loge dans une cavité paraliélépipèdique constituée par un matériau (matiere plastique ou métal) suffisamment résis- tant, à la fois au point de vue mécanique et de la corrosion. Dans de nombreux cas, les parois de cette cavité pourront être confectionnées en tôle d'acier inox, de 1 mm d'epaisseur, par exemple. L'ensemble d'aimants ainsi constitué est placé parallêlement à une des électrodes (anode ou cathode), dans son voisinage immédiat, et derrière cette électrode, de manière à ne pas faire écran au courant électrolytique, d'intensité I et de densite de courant électrique j = g (S étant la surface de l'électrode). Ainsi, deux des trois composantes du champ magnétique, Bx et B y réagissent sur la densité de courant j pour créer des forces électromagnétique (ou de Laplacej au sein de l'électrolyte, dont la valeur par unite de volume est donnée par F = j # B et dont les composantes sont Fy = j.Bx et Fx = jBy. La composante Bz étant orientée parallèlement à j , ne génère évidemment aucune force. Le fluide conducteur, constitué par l'électrolyte, est ainsi mis en mouvement sous l'action de forces tangentielles à la surface de l'électrolyte. Cependant, en raison de l'existence de courants fluides de recirculations, il apparaît en réalité un brassage tridimensionnel au voisinage des électrodes. Il est important de noter l'intérêt de la disposition des aimants, adoptée dans ce dispositif, car elle permet d'appliquer le procéde à des installations électrolytiques industrielles de très grandes dimensions. Selon les types d'électrolyses, un assemblage d'aimants pourra être situe soit derriere l'anode, soit derrière la cathode. Cependant, il sera encore plus efficace d'utiliser simultanément deux assemblages d'aimants, un derrière l'anode et un derrière la cathode.Dans ce dernier cas, il sera préferable de disposer les aimants de telle sorte que chaque pôle d'aimant d'un des assemblages soit placer en face d'un pôle de même nom, appartenant à l'autre assemblage ; ceci afin de diminuer la valeur de la composante du champ magnétique parallèle à la densité de courant 5 (qui est inopérante au point de vue du brassage) et d'augmenter les composantes transversales à 5. D'une manière générale dans le cas d'électrolyses avec cellules multiples, le nombre d'assemblages d'aimants pourra être égal à celui des électrodes. Seules les composantes du champ magnétique, transversales à la direction de la densité de courant électrique 3, due aux courants ioniques, sont productrices de forces électromagnétiques et, donc, de mouvements forcés du bain électrolytique. Un champ magnétique d'origine extérieur ne pourrait, dans le cas de cellules de dimensions industrielles, être produit, transversalement à la densité de courant electrique, que par un electro-aimant dont l'entrefer aurait une largeur supérieure au mètre ; dans ces conditions, le champ magnetique obtenu serait insignifiant, même au prix d'une grande dépense d'énergie électrique, et n'entrainerait pas la création de mouvements convectifs décelables. Le dispositif selon l'invention présente aussi de nombreux avantages - il est de conception et de realisation simple et fiable, - son fonctionnement ne demande aucune installation électrique sup plementaire (destinee à actionner une pompe, une helice, ou à alimenter un électro-aimant, par exemple) ; - il n'absorbe aucune énergie, - il agit efficacement à l'intérieur même de la couche diffusionelle car, c'est dans cette région que les forces électromagnétiques sont maximales ; - il agit d'une façon homogene, sur toute la surface des électrodes, - il produit un champ magnétique tridimensionel favorable aux mouvements de brassage ; - le champ magnétique est renforce par l'accolement des aimants et par leur disposition en quinconces.En effet, les lignes de champ magnétique émanant d'un aimant donné se renferment sur les quatre autres aimants qui l'entourent, car leurs polarités sont inversées par rapport à la sienne ; de ce fait, le trajet des lignes de champ dans l'air est réduit, ainsi donc que la réluctance totale de chaque aimant, ce qui renforce l'intensité du champ magnétique ; - les transferts de masses et de chaleur produits contribuent à l'homogénéisation de la température du bain et à l'uniformisation des concentrations.ioniques ; - il améliore les qualités mecaniques du dépôt electrolytique (aspect de surface, dureté, porosité, etc...) ; - il s'applique à tous les types d'électrolyse : anodisation, dépôt métallique, galvanoplastie, anode soluble, etc... (sur tous les matériaux susceptibles d'être utilisés en électrolyse). Cependant, l'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins qui accompagnent la présente demande et qui représentent, sans caractere limitatif, des exemples de réalisation et de mise en oeuvre de dispositifs, selon l'inven, tion. La figure 1 représente la coupe d'un aimant "plat". La figure 2 représente un assemblage d'aimants "plats", disposés en quinconces. La figure 3 représente l'assemblage d'un nombre égal d'aimants "plats" et de parallélépipèdes de fer doux. Les figures 4, 5 et 6, représentent des dispositions possibles d'assemblages d'aimants dans des cellules électrolytiques. La figure 7 représente un exemple de topographie de champ magnétique émanant d'un assemblage d'aimants. La figure 8 represente les composantes des forces électromagnétiques produitent par la reaction du champ magnétique et du courant d'electrolyse. La figure 9 représente, schématiquement, le brassage du bain électrolytique produit par le dispositif. La figure 1, qui représente la coupe d'un aimant, met en évidence le sens de l'aimantation, selon la plus faible dimension. La figure 2 represente une disposition en quinconces des pôles des aimants ; la surface couverte par cet assemblage n'est pas limitée, elle peut depasser facilement plusieurs mètres carres. La figure 3 représente une disposition d'aimants dont les pôles de même nom (tous nord, par exemple) sont disposes en quinconces, avec des pa rallélépipèdes de fer doux de mêmes dimensions que les aimants. Cette disposition est moins onéreuse, mais aussi, moins efficace. La figure 4 représente la position de l'assemblage d'aimants (1) dans une cuve électrolytique (2), ainsi que la direction de l'intensité I et de la densite J du courant électrique. Sur cette figure un seul assemblague, disposé derriere l'anode (3) est utilisé, mais il pourrait aussi se trouver derriere la cathode (4). La figure 5 représente la position de deux assemblages d'aimants (1) dans une cuve électrolytique (2), disposés respectivement derrière l'anode (3) et la cathode (4). La figure 6 représente, à titre d'exemple, la position d'assemblages d'aimants (1) lors du traitement de surface anodique sur bandes (2) en déroulement continu (3). Dans ce cas les aimants sont places contre la cathode (4). La figure 7 représente schématiquement la topographie du champ magnétique produit par un assemblage d'aimants dans le plan yOz de la figure 4 (la topographie du champ magnétique dans le plan xOz est analogue). La figure 8 représente la production des composantes Fx et Fy des forces électromagnétiques, crées respectivement par l'interaction des composantes B y et Bx du champ magnétique et de la densité de courant élec * trique j. La figure 9 représente, schématiquement, une coupe verticale de la structure du brassage tridimensionel dans le plan yOz de la figure 4. L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples non limitatifs qui suivent. Pour des raisons de facilité d'expérience, les premiers essais ont été réalisés sur une cellule, de forme cubique, de dimensions 20 x 20 x 20 cm, contenant sept litres de solution électrolytique dans laquelle étaient plongées deux anodes rectangulaires de dimensions 12 x 16 cm, planes, fixes et parallèles entre elles. Les assemblages d'aimants étaient constitués par vingt cinq aimants en Cobalt-Terres Rares, de dimensions 28 x 19 x 11 mm. La surface d'un assemblage etait de 1 500 cm2. Les valeurs maximales des composantes Bx et By , génératrices de brassage étaient de - 0,13 Tesla, sur la surface des électrodes, - 0,70 Tesla, dans le bain et à 3 mm des électrodes, - 0,35 Tesla, dans le bain et à 6,5 mm des électrodes, pour un courant électrolytique de 20 ampères, soit une densité de courant de 1 050 A.m 2, la densité de force électromagnétique correspondante, était de 130 Newtons par m3 d'électrolyte (dans le voisinage des electrodes). Les essais de brassage ont été effectués dans des cas d'électrolyse typiques, tels que - l'anodisation d'une feuille d'aluminium, - le chromage dur d'une feuille d'aluminium, - la galvanoplastie du cuivre (anode soluble), et pour des densités de courants allant de 200 à 5 000 A.m 2. Dans tous les cas, un brassage notable de l'électrolyte a été observé, particulierement, dans la zone des électrodes, qui étaient pratiquement accolées à l'assemblage d'aimants, et des vitesses pouvant dépasser 15 cm.s-l ont été détectées, par visualisation, dans les tourbillons. Enfin, des expériences réalisées avec un assemblage de six aimants ferrites, de dimensions 140 x 100 x 25 mm, ont également permis de mettre en évidence un brassage très efficace du bain électrolytique. L'invention trouve son application dans tous les cas où l'on veut brasser activement l'electrolyte, agir sur l'épaisseur des couches limites convectives et diffusionnelles, homogénéiser la température du bain et améliorer les qualités du dépôt electrolytique (mécaniques, électriques, etc...) REVENDICATIONS 1) Dispositifs de brassage du bain dans les cellules d'électrolyse, caractérisés en ce que l'on assemble convenablement des aimants permanents, dans le but de créer, au sein de la solution électrolytique, des forces électromagnétiques qui mettent le fluide en mouvement. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les p- les des aimants sont disposes en quinconces, afin de créer un assemblage permettant d'obtenir une topographie tridimensionnelle du champ magnétique. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie des aimants permanents peut être remplacée par des pastilles confectionnees en matériau magnétique doux, de même géométrie que celle des aimants permanents. 4) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les assemblages d'aimants sont disposes au voisinage et derrière les électrodes (anode et cathode). 5) Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que le nombre d'assemblages d'aimants peut être égal au nombre d'electrodes, ce dernier nombre n'étant pas limité. 6) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme de la surface de l'assemblage peut être adaptée à celle de l'électrode correspondante. 7) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il s'applique à tous les types d'électrolyses.