Brevet FR2588574A1 — publié le 19870417

DISPOSITIF POUR CASSER LES POINTES D'ANODES SOEDERBERG DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif pour casser les pointes qui se forment sous les anodes Soederb -;-, dans les cuves, pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, à 930-960eC selon le procédé Hall-Héroult. ETAT DE LA TECHNIQUE Les cuves d'électrolyse dite à anode Soederberg", par opposition aux cuves à anodes précuites", comportent une anode unique, dont la surface totale dans le plan horizontal est proche de la surface totale de la partie active de la cuve, ne laissant avec le rebord du garnissage interne qu'un espace limité indispensable pour les opérations de chargement de l'alumine, de rechargement du bain et des additifs d'électrolyse, de soutirage du métal produit, ainsi que pour les opérations de décrassage du bain. On rappelle que l'anode Soederberg est constituée par une enveloppe en tôle d'acier dans laquelle on introduit de la pâte carbonée (coke broyé + brai) qui cuit au fur et à mesure de sa descente dans la gaine. L'anode s'use par la partie inférieure. par le processus normal de combustion du carbone par l'oxygène provenant de la dissociation électrolytique de l'alumine. et elle est renouvelée par introduction périodique de granulés de pâte carbonée à la partie supérieure. L'anode est supportée par des "gourions, qui sont constitués par des barres métalliques à extrémité inférieure effilée, plantés verticalement (en général) par la partie supérieure de l'anode, et qui servent en même temps d'amenée de courant car ils sont reliés à leur extrémité supérieure au cadre anodique. Périodiquement. on proccède, outre l'apport de pâte carbonée. à trois types d'opérations sur l'anode 1. Une descente progressive de l'anode. pour compenser son usure par combustion et maintenir ainsi constante la distance anode-cathode. 2. Un relevage de la gaine métallique qui entoure l'anode, de façon qu'elle ne vienne pas au contact de l'électrolyte. 3. Un arrachage des goujons dont la pointe approche de la base de l'anode, de façon à éviter tout risque de contact entre la pointe du goujon et l'électrolyte; le trou laissé par le goujon est rebouché avec des granulés de pâte carbonée. et le goujon est replanté à un autre endroit, à un niveau supérieur. Pour la bonne marche des cuves, il est indispensable que la base de l'anode, qui est en contact avec l'électrolyte forme un plan parallèle au plan sensiblement horizontal que constitue la nappe cathodique d'aluminium (parfois déformé par les effets magnétiques). Cette planéité est obtenue grâce à une bonne homogénéité de la pâte carbonée. à une répartition convenable des goujons et à diverses dispositions assurant une répartition adéquate des températures dans les diverses zones de l'anode. Un des phénomènes qui perturbe cette planéité est l'apparition des "pointes d'anodes, c'est-à-dire d'excroissances comparables à des stalactites. qui se forment sous le plan anodique. et dont l'amplitude peut atteindre la distance anode-cathode. créant ainsi un court-circuit local et une élévation de température de la pointe qui peut atteindre 1200"C. Ces pointes peuvent se former en raison d'hétérogénéité locales de la pâte carbonée, par exemple dans les zones correspondant aux rebouchages des trous de goujon, ou encore par accumulation locale de résidus carbonés provenant de la désagrégation de certaines zones de l'anode ("charbonailles"). Les déformations de la nappe d'aluminium par les instabilités dues aux effets magnétiques contribuent également à créer ou à amplifier ce phénomène de pointes. Il est indispensable d'éliminer ces pointes d'anodes dès qu'on les détecte, car elles abaissent sensiblement le rendement de l'électrolyse. La détection s'effectue essentiellement par l'observation des échauffements locaux produits soit dans l'anode elle-même ou dans l'un des goujons, soit au niveau du bain d'électrolyse, et résultant du passage du courant de court-circuit (dégagement de fumée en certains points de l'anode. rougeoiments de l'électrolyte). Habituellement, les pointes d'anodes sont cassées manuellement, à l'aide d'outils portatifs, par forage et éclatement de la partie d'anode supportant la pointe. Réalisée dans l'environnement hostile de la cuve (température, poussières, dégagement de gaz fluorés), cette opération est longue et pénible pour le personnel d'exécution, d'autant plus : c-. l'apparition de pointes peut se manifester de façon assez fréquente. Sur une série de 120 cuves, par exemple, on peut avoir à traiter jusqu'à 6 pointes d'anodes chaque jour. OBJET DE L'INWENTION L'objet de l'invention est un dispositif mécanisé permettant l'élimination des pointes d'anodes sans interrompre ni perturber l'électrolyse et sans risque pour le personnel: ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte essentiellement: - un bâti fixe, réglable en hauteur, - un châssis latéral orientable, supportant un marteau-perforateur, auquel on peut adapter, par un manchon d'accouplement, un outil desperforation (forêt) ou un cône d'éclatement, ce marteau qui comporte également un moyen de mise en rotation éventuelle de l'outil de perforation étant disposé sur une glissière reliée à un moyen de déplacement selon l'axe de l'outil de perforation ou d'éclatement. - des moyens d'orientation du châssis latéral par rapport au bâti fixe. DESCRIPTION DES FIGE'RETS Les figures 1 à 6 illustrent l'invention. La figure 1 rappelle. en coupe en long très schématisée, la structure d'une cuve "Soederberg" pour la production d'aluminium. La figure 2 représente. en vue de face, le dispositif objet de l'invention. La figure 3 est une vue de côté du dispositif. La figure 4 est une coupe du système de déplacement du marteau-perforateur, représenté de façon schématique. La figure 5 est une vue de dessus du duspositif. La figure 6 est une vue d'ensemble. en perspective, de la machine. - La figure 7 montre les détails de l'opération de cassage d'une pointe d'anode. Pour la bonne compréhension de l'invention, on rappelle, sur la figure 1, qu'une cuve d'électrolyse du type Soederberg comporte un caisson métallique (1) dont le fond est garni de réfractaire calorifuge (2) qui supporte l'ensemble des blocs carbonés (3) formant la cathode et dans lesquels sont scellées des barres métalliques (4) qui extraient le courant et se raccordent à des conducteurs conduisant ce courant au système anodique de la cuive suivante dans la série, Les rebords (5) de la cuve sont également pourvus d'un revêtement carboné au contact duquel se forme un talus (6) d'électrolyte solidifié. L'anode Soederberg (7) est à la fois suspendue et alimentée en courant par les goujons métalliques (8) fixés au cadre anodique (9) par un moyen de serrage classique non représenté. L'anode Soederberg est entourée d'une jupe métallique (10) dont la partie inférieure (11) est maintenue sensiblement au-dessus du niveau de l'électrolyte fondu (12). La nappe d'aluminium liquide (13) se forme sur la cathode carbonée (3). Les systèmes de capotage et de captage des gaz émis par la cuve n'ont pas été représentés pour alléger le dessin, et ils n'interviennent pas dans la mise en oeuvre de l'invention. Une pointe d'anode s'est formée en (14). Son développement est tel qu'elle forme un court-circuit local. au travers de l'électrolyte (12) entre l'anode (7) et la nappe cathodique d'Al liquide (13). Il en résulte, outre une baisse de rendement d'élctrolyse. des échauffements locaux aussi bien au niveau de la pointe d'anode que dans l'anode elleXmême. dans la zone du goujon (8A) qui est surchargé par le courant de court-circuit. La machine destinée au cassage des pointes est constituée de 3 éléments principaux Un bâti qui permet de la positionner de façon stable sur le sol (généralement une dalle en béton) devant la cuve d'électrolyse à traiter; Un moyen de perforation et de rupture par éclatement de la partie d'anode sous laquelle s'est formée la pointe; Des moyens d'orientation des outils de perforation et de rupture par éclatement. Le bâti support (20) est constitué par un plateau muni de quatre pieds (21), de préférence électriquement isolés du sol par des patins isolants (21A). Ces quatre pieds (21) sont constitués par des vérins à vis permettant la mise à hauteur de la machine par rapport à la cuve d'électrolyse. Ils peuvent entre, en outre, munis de rotules permettant une inclinaison éventuelle de la machine entre 0 et 10-. Soudés sous le plateau, 2 profilés creux (23) permettent la prise de l'ensemble de la machine par un chariot élévateur à fourches pour assurer son déplacement dans la salle d'électrolyse. L'ensemble des dispositifs de perforation et de rupture et des dispositifs d'orientation repose sur le bâti-support (20) par l'intermédiaire d'une couronne d'orientation (24) qui peut assurer une rotation (manuelle) sur 360". La couronne peut être immobilisée dans la position choisie par tout dispositif connu, par exemple par une broche insérée dans des trous ménagés dans la partie fixe et dans la partie rotative de la couronne. Le dispositif de perforation comporte essentiellement un marteau perforateur pneumatique (30), fonctionnant en perforation-rotation, la rotation pouvant être dissociée de la perforation. Compte tenu du travail à effectuer, la fréquence de frappe doit être au moins égale à 1000 coups par minute, la vitesse de rotation de l'outil au moins égale à 100 tours par minute. et l'énergie minimale par coup au moins égale à 100 joules. Les trous à forer dans l'anode ont un diamètre généralement égal ou supérieur à 45 mm. Le marteau perforateur est disposé sur un châssis latéral allongé (31)protégé par un carter d'isolation électrique (32). Il est, en outre, monté sur une glissière (42) de façon à assurer une course, selon l'axe de l'outil de forage (33) au moins égale à la demi-longueur des anodes Soederberg. par exemple 2 mètres. Dans le cas représenté sur la figure 4 (A,B), le marteau (30) est fixé sur la glissière (42). Un vérin hydraulique (43). fixé sur le châssis latéral (31) au-dessus du marteau et de sa glissière. agit sur la tête (1tAI du support mobile (44) qui coulisse sur la tige-guide (45). Par un système classique de moufle, constitué par une chaîne à haute résistance (60) passant sur les galets (46)(46A) et (46B) fixé au support mobile (44) et liée aux points d'attaches (48A) sur la glissière et (48B) sur l'élément fixe (31A), on assure au marteau (30) une course iinéaire égale à deux fois la course du support mobile (44) sur la tige-guide (45i. sous l'effet du vérin (43). L'outil de forage (33) est supporté et guidé en au moins un point, de préférence par une lunette de guidage, située à l'avant du châssis latéral (31); il est fixé au marteau (30) de façon habituelle, par le manchon (35). Il comporte en outre un moyen de soufflage des débris et de refroidissement par injection d'air comprimé selon son axe, qui est creux, de façon classique. L'outil d'éclatement sera décrit un peu plus loin en même temps que le fonctionnement du dispositif. Le châssis latéral (31) supportant le dispositif de perforation est relié au bâti principal (36) supporté par le plateau (20) par un dispositif articulé du type "parallélogramme (3F), muni d'un contrepoids d'équilibrage (38) qui permet d'assurer un premier mouvement dans un plan sensiblement vertical, au cours duquel l'axe (39) du système marteau (30) -outil de perforation (33) reste parallèle à lu-meme. Ce mouvement apparat sur la figure 2. Son amplitude peut être, par exemple, de l'ordre d'une quanrantaine de centimètres. Chaque position choisie est fixée par brochage. ün second mouvement est un basculement avant ou arrière du châssis latéral Enfin. un troisième mouvement commandé par la manivelle (50) et la tige filetée (51) qui coopère avec un filetage solidaire de l'articulation (47) du parallélogramme 13;) permet une inclinaison du châssis latéral (31) autour d'un axe horizontal (52) passant par la potence (49) qui supporte le châssis latéral (311. Ce mouvement d'amplitude relativement limitée (environ + 10. autour de la position centrale), permet, comme on l'expliquera un peu plus loin, de perforer dans l'anode plusieurs trous adjacents et de déterminer ainsi la largeur maximale de la partie d'anode à détruire. Enfin. à l'avant du châssis latéral (31), du côté de la sortie de l'outil de perforation (33), on peut prévoir un bouclier (53), en tôle pleine ou perforée, destinée à protéger la machine du rayonnement thermique de la cuve d'électrolyse et des projections diverses de produits chauds et abrasifs. Ce bouclier (53) peut également être disposé en appui sur le rebord (5) de la cuve et sur la gaine (11). Une ouverture est ménagée dans ce bouclier pour le passage de l'outil de forage. La machine est raccordée au réseau de distribution d'air comprimé de l'usine qui lui fournit son énergie par des tubes souples protégés, Le bouclier est rangé au repos, le long du contrepoids (38); les tuyaux étant eux-mêmes rangés autour de ce contrepoids. En position de repos et de transport, le châssis latéral (31) est replié par pivotement de 90" autour de l'axe vertical (41) passant par le centre de la couronne circulaire (24) dans la position (54) indiquée en pointillés sur la figure Le fonctionnement de la machine est le suivant : il s'agit d'éliminer la pointe (14)(figure 7A) formée sous l'anode. La machine est amenée à proximité immédiate du rebord de la cuve, sur la dalle (15). La position de la pointe étant repérée, on évalue la distance "d" entre la pointe (14) et le rebord externe (16) de l'anode (7). On incline le châssis latéral (31) d'un angle t 1 prédéterminé (généralement entre 0 et 10") et on fore un premier trou 55-A. Pour ce premier forage, le châssis latéral (31) est en position A de la figure 2, c'est-à-dire que le plan passant par l'axe de perforation (391 et par l'axe (52) est vertical. Le forage s'effectue par choc et rotation de l'outil sur une profondeur sensiblement égale ou légèrement supérieure à "d" et d'un diamètre de 40 à 50 mm (par exemple 45 mm). Puis on retire l'outil de perforation, on incline le chassis latéral d'un angle t 2 (environ lO-)(Position B du châssis latéral), et on fore un second trou (55B), de même profondeur et de même diamètre. De la même façon, on fore un troisième trou (55C) en inclinant le châssis latéral du côté opposé (position C) d'un angle sensiblement égal à 3( 2 (fig. 7B). Puis on retire l'outil de perforation et on le remplace par un cône d'éclatement (56), disposé au bout d'une tige (57) de longueur suffisante, et que l'on enfonce dans le trou central (55A). le marteau perforateur fonctionnant cette fois par choc. uniquement, sans rotation. Ce cône d'éclatement a un diamètre maximum, à sa base. supérieur (d'au moins 50 %) au diamètre de forage des trous. Il peut être muni de rainures selon les génératrices du cône, pour facliter sa pénétration dans les trous et favoriser l'éclatement de l'anode. On peut aussi utiliser un cone réduit par usinage de deux faces sensiblement parallèles entre elles (58), fig. 7C, symétriques et sensiblement parallèles à l'axe de la tige support de façon à faciliter sa pénétration dans les trous 55A,B,C (cone dit "à pans coupés"). En utilisation normale de la machine (perforation puis percussion-éclatement), la tige (57) support du cone peut être, de préférence, polygonale (hexagonale oucarrée). ce qui permet en, la guidant dans une fourchette (59) munie d'une encoche de profil correspondant, de bloquer totalement la rotation de cette tige pendant la phase d'éclatement. Il résulte de cette opération un éclatement progressif (fig. 7A) de la partie de l'anode située au-dessous de la tige (57), par exemple la partie 1, puis la partie 2 et enfin la partie 3 sous laquelle s'était formée la pointe qui est ainsi éliminée. On recueille les morceaux qui flottent sur l'électrolyte par les moyens habituels de décrassage par râclage. Pour casser les pointes dites "de bordure", c'est-à-dire formées sous la périphérie de l'anode (7). on peut se contenter d'utiliser des cones pointus. à pans coupés montés sur des fleurets (33). Dans ce cas, on utilise uniquement la capacité de percussion de la machine, sans perforation préalable. On notera enfin que le nombre de trois trous adjacents forés dans l'anode est donné comme un exemple courant de mise en oeuvre: dans la pratique, ce nombre de trous est fixé en fonction de l'étendue estimée de la partie d'anode concernée par la pointe, L'ensemble des commandes de la machine se fait par des vannes pneumatiques que l'on peut regrouper soit dans un tiroir fixe disposé sur la machine, soit dans un boitier mobile que l'opérateur peu porter au moyen d'un harnais, ce qui assure la liberté de mouvement et améliore la visibilité d'ensemble. Une télécommande par voie hertzienne ou lumineuse (visible Ou infra-rouge) est également possible par tous procédés connus de l'homme de l'art. Exemple d'application On a construit une machine de cassage de pointes d'anodes, conforme à la description qui vient d'être faite. avec les caractéristiques suivantes - fréquence de frappe : 1400 coups/min - vitesse de rotation de l'outil de perforation : 120 tours/min - énergie par coup : 130/140 joules - longueur de l'outil de perforation (fleuret) : 3 mètres - course de l'outil : 1,9 mètre. Servie par 2 opérateurs, la machine peut assurer le cassage d'une pointe d'anode en 1 2 heure au maximum y compris le temps de mise en place de la machine devant la cuve, et de raccordement au réseau d'air comprimé. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour casser les pointes qui se forment sur les anodes Soederberg dans les cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult caractérisé en ce qu'il comporte - un bâti fixe (20), réglable en hauteur, - un châssis latéral orientable (31), supportant un marteau-perforateur (30) auquel on peut adapter, par un manchon d'accouplement (35), un outil de perforation (33) ou un cône d'éclatement (56), ce marteau (30) qui comporte également un moyen de mise en rotation éventuelle de l'outil de perforation (33) étant disposé sur une glissière (42) reliée à un moyen de déplacement selon l'axe (39) de l'outil de perforation ou d'éclatement - des moyens d'orientation du châssis latéral (31) par rapport au bâti fixe (20). 2. Dispositif. selon revendication 1, caractérisé en ce que le bâti fixe est réglable en hauteur par des vérins à vis (21) comportant une isolation électrique (21A) par rapport au sol. 3. Dispositif, selon revendication 2, caractérisé en ce que les vérins (21) comporent. en outre, une rotule d'orientation. 4. Dispositif. selon revendication 1, caractérisé en ce que le bâti fixe est muni d'une couronne d'orientation (23), mobile sur 360" autour de son axe vertical (41) et qui supporte l'ensemble des moyens d'orientation du châssis latéral (31) par rapport au bâti fixe (20). 5. Dispositif, selon revendication 4, caractérisé en ce que la couronne (23) possède des moyens d'immobilisation dans une position déterminée. 6. Dispositif. selon revendication 1, caractérisé en ce que le marteau-perforateur est un outil pneumatique ayant une cadence de frappe au moins égale à 1000 coups par minute, une vitesse de mise en rotation éventuelle de l'outil de perforation au moins égale à 100 tours par minute et une énergie de frappe au moins égale à 100 joules par coup. 7. Dispositif, selon revendication 1, caractérisé en ce que le déplacement de la glissière (42) qui supporte le marteau (30) selon l'axe (39) de l'outil de perforation ou d'éclatement est assuré par un vérin hydraulique ou pneumatique auxiliaire (43). 8. Dispositif selon revendication 7, c,-1ractérisé en ce que la glissière (42) qui supporte le marteau pneumatique (30), coulisse sur une tige guide (45) fixée sur le châssis latéral (21) et est reliée au vérin auxiliaire (43) par une chaîne (60) mouflée, l'axe de la tige guide (45) étant parallèle à l'axe (39) de l'outil (33). 9. Dispositif selon revendication 8, caractérisé en ce que le vérin auxiliaire (43) agit sur un support mobile (44) qui coulisse également sur la tige guide (45), et en ce que la chaîne (60) passe sur deux galets (46A, 46B) disposés aux deux extrémités du support mobile (44). les extrémités de la chaîne (60) étant fixées d'une part sur la glissière (42)(en 48A) et d'autre part sur un élément (31A) du châssis latéral (31)(en 48B). 10. Dispositif, selon revendication 1, caractérisé en ce que le châssis latéral (31) est muni d'un moyen de déplacement par rapport au bâti fixe (2) dans un plan sensiblement vertical passant par l'axe (39) constitué par un parallélogramme (37) muni d'un contrepoids (38). 11. Dispositif, selon revendication 1. caractérisé en ce que le châssis latéral (31) est muni d'un moyen d'inclinaison avant ou arrière d'une amplitude sensiblement comprise entre 0 et - 10" par rapport à l'horizontale, autour d'un axe horizontal (40) perpendiculaire à l'axe (39). 12. Dispositif, selon revendication 1, caractérisé en ce que le châssis latéral (31) est muni d'un moyen d'inclinaison autour d'un axe horizontal (52) parallèle à l'axe (39). d'une amplitude sensiblement comprise entre > 10" par rapport à la position médiane dans laquelle le plan passant par les axes (39) et (42) est vertical. 13. Dispositif, selon revendication 1, caractérisé en ce que l'outil d'éclatement est constitué par un cône (56) dont le diamètre à la base est supérieur d'au moins 50 % au diamètre des trous forés dans l'anode et disposé à l'une des extrémités d'une tige support (57) dont l'autre extrémité est insérée dans le manchon d'accouplement (35) au marteau (30). 14. Dispositif, selon revendication 13, caractérisé en ce que la tige support (57) du cône (56) est polygonale et coopère avec une fourchette support (59) munie d'une encoche également polygonale, en vue d'éviter la rotation de ladite tige-support pendant la phase d'éclatement.