Brevet FR2576920A1 — publié le 19860808

CUVE D'ELECTROLYSE HALL-HEROULT A BARRES CATHODIQUES ET A CALORIFUGEAGE DISSYMETRIQUES INTRODUCTION La présente invention concerne des cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult. Elle concerne particulièrement les cuve disposées en travers, c'est-à-dire dont le grand axe est perpendiculaire à l'axe de la série. EXPOSE DE L'ART ANTERIEUR 1. Sole cathodique La cathode d'une cuve d'électrolyse Hall-Héroult est constituée par la juxtaposition d'un ensemble de blocs carbonés munis, à leur face inférieure, d'une ou de plusieurs rainures dans lesquelles sont scellées généralement par coulée de fonte des barres d'acier de section carrée, rectangulaire ou circulaire, sur les extrémités desquelles sont raccordés les conducteurs de liaison entre les cuves successives formant une série. Ces blocs sont jointoyés par une pâte carbonée dite pâte de brasque, ou collés par des colles carbonées dont les caractéristiques sont connues de l'homme de l'art. La cathode doit être étanche à l'aluminium liquide qui se dépose à une température comprise entre 940 et 1000 C lors de l'électrolyse de l'alumine dissoute dans le bain de cryolite fondue. Elle collecte le courant électrique qui traverse verticalement la cuve en passant successivement dans une ou plusieurs anodes carbonées, le bain cryolitaire, l'aluminium liquide, la cathode. La cathode est connectée électriquement à des conducteurs en aluminium (ou en cuivre) qui transportent le courant à la cuve suivante dans la série. Ce raccordement est obtenu par soudage, brasage ou serrage des extrémités des barres d'acier sur un conducteur souple d'aluminium ou de cuivre soudé lui-même sur le conducteur de transport du courant. Dans le cas des cuves dites en travers, c'est-à-dire disposées de telle façon que leur axe soit placé perpendiculairement à l'axe de la série, les blocs cathodiques sont disposés parallèlement à l'axe de la série comme il est indiqué sur la fig.1. Le raccordement électrique avec la cuve suivante est alors effectué au moyen de deux circuits de conducteurs appelés: - circuit amont, raccordant les extrémités de barres tournées vers l'amont de la série (par rapport au sens du courant dans la série), à la cuve suivante; - circuit aval, raccordant les extrémités de barres tournées vers l'aval de la série (par rapport au sens du courant dans la série), à la cuve suivante. Exposé du problème L'homme de l'art sait que des perturbations graves de la stabilité de la couche d'aluminium liquide déposée sur la cathode interviennent si une dissymétrie électrique dans la cuve fait passer plus de courant par l'aval de la cuve que par l'amont. Cela est dû à la présence de courants dits de "rattrappage", issus des anodes aval pour aller dans le circuit amont, ou l'inverse. Ceux-ci interagissent avec les champs magnétiques existant dans les cuves d'électrolyses pour créer dans l'aluminium liquide des forces internes suffisantes pour déclencher de puissants mouvements d'ensemble de la nappe métallique. Le rendement de l'électrolyse, habituellement compris entre 90 et 95 % se dégrade alors fortement et chute à des valeurs inférieures à 80 %, voire 70 %. Pour remédier à ce défaut, les cuves sont habituellement construites de façon symétrique par rapport à l'axe vertical passant par' son centre, ou par rapport à un plan vertical comprenant l'axe longitudinal de la cuve. Cette symétrie concerne le système anodique et le système cathodique (figure 2). Dans l'idéal, le circuit amont doit avoir une résistance électrique identique à celle du circuit aval pour que la symétrie électrique de la cathode soit respectée. Cela est obtenu en grossissant la section du circuit amont qui est le plus long et en réduisant la section du circuit aval. Si L et S sont respectivement les longueur et section du circuit amont et si 1 et s sont les longueur et section du circuit aval, ces valeurs doivent être telles que L/S - l/s (loi d'Ohm) 3 2576920 Commne la section d'un circuit ne peut être trop réduite, car il pourrait en s'échauffant dégrader la qualité des soudures et des contacts, la réduction de section est habituellement très limitée. On doit alors, pour équilibrer les circuits, soit augmenter S au-delà du strict nécessaire, soit allonger 1 par des détours du circuit aval (figure 3, figure 4). Le poids total des circuits est dans les deux cas augmenté ainsi que le coût de l'installation. 2. Isolation thermique La chaleur produite dans la cuve d'électrolyse alimente les réactions électrochimiques d'une part, les flux de pertes thermiques d'autre part. Celles-ci sont réduites au maximum par l'utilisation de matériaux réfractaires isolants. L'isolation thermique est réalisée de telle manière que soit évacué à travers la partie supérieure des parois latérales un flux de chaleur suffisant pour maintenir entre les phases liquides et ces parois un autogarnissage de bain solidifié, appelé talus. La présence du talus a cet endroit permet de préserver le creuset métallique de la corrosion par le bain et l'aluminium liquides. Il est important que la partie inférieure du talus n'avance pas trop sur les blocs cathodiques, car elle tendrait, en réduisant leur surface active, à créer des courants de rattrappage analogues à ceux qui ont déjà été cités et à augmenter en outre la chute de tension aux bornes de la cuve. En principe, lorsque la symétrie électrique est réalisée, un calorifugeage symétrique assure à la cuve une répartition symétrique de température à l'intérieur de la cuve d'électrolyse, et en particulier des talus symétriques. C'est pourquoi on se contente généralement, dans les calculs théoriques destinés A prévoir le calorifugeage, de raisonner sur une moitié de cuve en considérant que l'autre moitié s'en déduit par symétrie. L'expérience moetre que, très souvent, un c6té de la cuve est plus froid que l'autre, le talus situé de ce c6té avançant un peu plus sur les blocs cathodiques dans sa partie inférieure il en résulte un mauvais équilibre de la nappe de métal par sa réaction aux champs magnétiques, comme il a été indiqué plus haut. Cette dissymétrie thermique peut être expliquée par les différences de géométrie des conducteurs entre l'amont et l'aval qui induisent des différences sur les flux thermiques évacués par la cuve vers l'extérieur, ou bien par la dissymétrie des champs de vitesse des phases liquides dans la cuve, qui privilégient l'échange convectif entre le talus et les liquides d'un côté par rapport à l'autre. EXPOSE DE L'INVENTION L'objet 'de l'invention est une cuve pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult par électrolyse d'alumine dans un bain à base de cryolithe fondue, dans un ensemble formé par le groupement en série d'une pluralité de cuves alignées, chaque cuve étant formée par un caisson métallique rectangulaire IO dont le grand axe est perpendiculaire à l'axe de la série, et dont l'intérieur comporte un garnissage calorifuge, une cathode formée par la juxtaposition en relation étanche de blocs carbonés dans lesquels sont scellées des barres cathodiques métalliques dont les deux extrémités, qui sortent des blocs carbonés, forment les sorties cathodiques qui dépassent à l'extérieur du caisson sur ses côtés amont et aval (par rapport au sens de circulation du courant dans la série), et sur lesquelles sont connectés les conducteurs de liaison électrique avec la cuve suivante dans la série, ces conducteurs formant, avec les sorties cathodiques correspondantes, un circuit amont et un circuit aval, chaque cuve comportant, en outre, un système anodique suspendu à un croisillon horizontal réglable en hauteur, ce système comportant deux lignes parallèles d'anodes au grand axe du caisson, ces anodes, formées par les blocs carbonés, étant elles-mêmes suspendues au croisillon, de façon amovible, par des tiges métalliques conductrices dont la partie inférieure est scellée dans le bloc carboné, le croisillon étant alimenté en courant par les circuits amont et aval de la cuve précédente dans la série, la cuve étant caractérisée en ce que, dans le but de rendre sensiblement égale la résistance ohmique des deux groupes de circuits amont et aval, malgré leur différence de longueur, les extrémités des barres cathodiques aval ont une résistance ohmique supérieure à la résistance ohmique des extrémités des barres cathodiques amont. L'invention repose sur une conception nouvelle de la cuve que l'on peut qualifier de dissymétrique, car la symétrie de l'ensemble cathodique et du calorifugeage par rapport à l'axe longitudinal de la cuve est rompue. Elle concerne deux points: l'ensemble cathodique, et l'isolation thermique de la cuve. Les blocs cathodiques sont en matière carbonée amorphe ou graphitique, rainurés à leur base, comportant une ou plusieurs barres d'acier scellées dans la rainure. Ces barres cathodiques ou tout au moins les parties des barres émergeant du bloc carboné sont de section et/ou de longueur différente suivant que l'on est du côté aval ou du côté amont de la cuve. Les sections des barres d'acier sont calculées par l'homme de l'art de telle façon que la résistance électrique nécessaire du circuit amont soit notablement plus grande que la résistance électrique nécessaire du circuit aval et, pour équilibrer électriquement la cuve, c'est-à-dire pour que l'intensité passant par le circuit amont soit identique à l'intensité passant par le circuit aval. Cela est obtenu notamment en réduisant la section de la partie de barre d'acier extérieure au bloc cathodique du côté aval par rapport à la section de la partie de la barre d'acier extérieure au bloc cathodique du côté amont, et en rallongeant la partie de barre d'acier extérieure au bloc côté aval. Il est également possible de réaliser la sortie aval en un matériau moins conducteur (acier inoxydable au chrome par ex.) et/ou la sortie amont en matériau plus conducteur que le fer, par exemple en cuivre. L'invention est de préférence complétée par un garnissage isolant dissymétrique par rapport à l'axe longitudinal de la cuve. En effet, l'intensité du courant étant la même des deux côtés et la résistance électrique des barres étant plus grande côté aval que côté amont, une quantité de chaleur plus importante est dégagée côté aval. De plus, la résistance thermique des barres est également plus grande côté aval, et donc ce côté est mieux isolé thermiquement. Il est par conséquent préférable de décalorifuger le côté aval et/ou surcalorifuger le coté amont pour assurer à la cuve un équilibre thermique correct, compte tenu par ailleurs de la dissymétrie des températures et des talus observée sur les cuves à calorifugeage traditionnel. Le calcul du calorifugeage adéquat nécessite des moyens de calcul importants, mais qui sont connus en eux-mêmes et ne font pas partie de l'invention. DESCRIPTION DES FIGURES Les figures 1 à 4 se rapportent à l'art antérieur. Les figures 5 à 7 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. 6 25769Z0 La figure 1 rappelle, de façon schématique, la disposition des cuves dans une série dite 'en travers", et la disposition des blocs et des barres cathodiques sur l'une des cuves. La figure 2 est une coupe verticale, simplifiée, en travers, d'une cuve d'électrolyse classique. Les figures 3 et 4 montrent de la méme façon, les circuits de liaison entre une cuve et la cuve suivante dans la série, selon l'art antérieur. La figure 5 montre un bloc cathodique selon l'invention. La figure 6, ce même bloc en place dans une cuve d'électrolyse. La figure 7 montre les circuits de liaison entre une cuve et la cuve suivante dans la série selon l'invention. Chaque cuve (1) comporte, en la réduisant à ses organes essentiels, un caisson métallique {2), un garnissage calorifuge (3), une cathode (4) formée par la juxtaposition de blocs carbonés (5) dans lesquels sont scellées des barres d'acier (6), et un brasquage (7) en pâte carbonée. Les anodes (8), suspendues par des tiges (9) reliées par serrage mécanique aux barres d'amenées de courant (10) (croisillon), sont le plus généralement disposées en deux lignes parallèles. La liaison électrique entre une cuve (1A) et la cuve suivante (lB) dans la série s'effectue par un premier groupe de conducteurs (11) dit 'circuit amont" de longueur L et de section S qui relie les sorties cathodiques (12) amont de la cuve (1A) au croisillon (10) de la cuve suivante (lB) et par un second groupe de conducteurs (13), dit "circuit aval", de longueur 1 et de section s, qui relie les sorties cathodiques aval (12') de la cuve (1A) au même croisillon (10) de la cuve suivante (lB). Sur la figure 3 on remarque que la section S du circuit amont a été choisie très supérieure à la section s du circuit aval de façon à rétablir approximativement l'équilibre électrique entre les deux, mais au prix d'un investissement important en barres d'aluminium. Comme on l'a expliqué précédemment, la réduction de la section s ne peut pas dépasser une limite au-delà de laquelle l'échauffement des circuits (13) deviendrait inacceptable. 7 2576920 Sur la figure 4, l'équilibrage électrique a été amélioré en allongeant le trajet du circuit amont (13). Ces différentes solutions sont peu satisfaisantes, et ne résolvent pas complètement le problème de l'équilibrage des circuits amont et aval. La solution, objet de l'invention, apparat sur la figure 5: la compensation du déséquilibre des circuits amont et aval s'effectue au niveau des barres d'acier (12) scellées dans les blocs cathodiques (5), et qui collectent le courant qui vient de traverser le système d'électrolyse. La sortie amont (14) voit sa section maintenue inchangée, alors que la sortie aval (15) est à la fois réduite en section et augmentée de longueur, ces deux facteurs contribuant à accroître sa résistance ohmique, La figure 6 montre une cuve dans laquelle on a mis en place des blocs cathodiques selon l'invention. Du fait que la chute de tension dans la barre cathodique -amont (14) est beaucoup plus faible que la chute dans la barre cathodique aval (15) (par exemple dans le rapport de 1 à 4), il en résulte un déséquilibre thermique entre le garnissage amont deux à la fois. La figure 7 montre l'application de ces principes qui a conduit à des circuits de liaison amont (11) et aval (13) de section identique et de longueur différente, pour la partie réalisée en barres d'aluminium, avec compensation de la différence de résistance ohmique entre les deux grâce au retrécissement et à l'allongement de la sortie cathodique aval (15). Dans les trois cas de figures 5, 6, et 7, on notera que la partie terminale de la sortie cathodique amont (14) a une action terminale légèrement réduite, mais encore supérieure à celle de la sortie aval {15). Cette disposition est donnée à titre d'exemple de réalisation, mais elle n'est pas une caractéristique obligatoire de l'invention. Il est en effet connu de l'homme de l'art que l'on peut jouer sur l'équilibre thermique des blocs cathodiques en modifiant la section de la sortie cathodique dans sa partie terminale. Cette disposition, connue en elle-même, est ici mise en oeuvre en combinaison avec l'invention proprement dite. Sur la figure 6, on a, simultanément, surcalorifugé localement le garnissage amont (18) et décalorifugé le garnissage aval (19). Sur la figure 7, on a uniquement surcalorifugé le garnissage amont (18). EXEMPLE DE REALISATION Une cuve de 280 kA a été équipée de barres cathodiques dissymétriques et d'un calorifugeage dissymétrique. Les barres cathodiques ont été prolongées par des barres d'acier de section plus faible. La longueur des prolongements est plus grande coté aval que côté amont (rapport des longueurs - 4,3). On a pu ainsi obtenir coté aval une chute cathodique supérieure de 35 mV à la chute cathodique coté amont. Le poids des conducteurs en aluminium a ainsi été diminué de 860 kg. Le coté amont dle la cuve a été légèrement surcalorifugé (18) par rapport au coté aval, permettant d'assurer une symétrie parfaite des talus. On notera (fig. 7) que les circuits amont (11) et aval (13) sont maintenant constitués par des conducteurs de même section, ce qui n'était pas le cas selon l'art antérieur (fig. 3 et 4). AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION Les avantages procurés par l'invention sont de deux ordres 351. La quantité de métal constituant les conducteurs extérieurs est considérablement réduite. Le cout de l'installation est ainsi diminué et, par ailleurs, l'espace entourant chaque cuve est moins encombré. 2. Le retrécissement de section des barres cathodiques, côté aval, permet de disposer à l'intérieur de la cuve d'une plus grande quantité de chaleur qu'avec la section normale (effet Joule augmenté, pertes thermiques par l'acier diminuées). On peut en profiter, à condition de répartir le calorifugeage de façon adéquate entre l'amont et l'aval pour augmenter la section d'acier côté amont sans perturber l'équilibre thermique de la cuve. On réalise ainsi, à calorifugeage global constant, une économie d'énergie qu'on peut estimer à 50 kWh/tonne. REVENDICATIONS 1. Cuve pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult par électrolyse d'alumine dans un bain à base de cryolithe fondue, dans un ensemble formé par le groupement en série d'une pluralité de cuves alignées, chaque cuve (1) étant formée par un caisson métallique rectangulaire (2) dont le grand axe est perpendiculaire à l'axe de la série, et dont l'intérieur comporte un garnissage calorifuge (3), une cathode (4) formée par la juxtaposition en relation étanche de blocs carbonés (5) dans lesquels sont scellées des barres cathodiques métalliques (6) dont les deux extrémités (12,12'), qui sortent des blocs carbonés (5) forment les sorties cathodiques qui dépassent à l'extérieur du caisson sur ses côtés amont et aval (par rapport au sens de circulation du courant dans la série) et sur lesquelles sont connectés les conducteurs de liaison électrique (11)(13) avec la cuve suivante (1') dans la série, ces conducteurs formant, avec les sorties cathodiques correspondantes, un circuit amont et un circuit aval, chaque cuve comportant, en outre, un système anodique suspendu à un croisillon horizontal (10) réglable en hauteur, ce système comportant deux lignes d'anodes parallèles au grand axe du caisson, ces anodes (8) formées par des blocs carbonés, étant elles-mêmes suspendues au croisillon, de façon amovible, par des tiges métalliques conductrices (9) dont la partie inférieure est scellée dans le bloc carboné, le croisillon étant alimenté en courant par les circuits amont et aval de la cuve précédente dans la série, la cuve étant caractérisée en ce que, dans le but de rendre sensiblement égale la résistance ohmique des deux groupes de circuits amont (11) et aval (13), malgré leur différence de longueur, les extrémités des barres cathodiques aval (15) ont une résistance ohmique supérieure à la résistance ohmique des extrémités des barres cathodiques amront (14). 2. Cuve, selon revendication 1, caractérisée en ce que l'égalité de résistance ohmique entre les circuits amont (11) et aval (13) est obtenue en réalisant les sorties cathodiques aval (15) en un matériau ayant une résistivité supérieure à celle du matériau constituant les sorties cathodiques amont (14). 3. Cuve, selon revendication I ou 2, caractérisée en ce que l'égalité de résistance ohmique entre les circuits amont (11) et aval (13) est obtenue en augmentant la longueur et/ou en réduisant la section des sorties aval (15) . il 4. Cuve, selon revendication 1, caractérisée en ce que le calorifugeage du caisson du côté amont est r6duit, par rapport au calorifugeage du c té aval. en louant soit sur la nature, soit sur l'épaisseur du matériau constituant ce calorifugeage, soit sur les deux facteurs à la fois.