Brevet FR2589487A1 — publié le 19870507

"Coque extérieure pour cellule électrolytique d'électro- lyse de sels fondus, et procédé de fabrication d'une cathode de cuve électrolytique, notamment pour la production d'aluminium" L'invention concerne une nouvelle coque extérieure pour cuve de réduction électrolytique des- tinée à l'électrolyse de sels fondus, et plus particu- lièrement des coques extérieures pour cuves de réduction électrolytique destinées à la production d'aluminiumo L'invention concerne en-outre un procédé de fabrication d'une cathode de cuve de réduction électrolytique. Selon l'état de l'art, les cathodes de cuxes électrolytiques destinées à la production d'alu- minium sont constituées par une coque extérieure en acier à sommet ouvert. A l'intérieur de cette coque d'acier sont prévus un revêtement constitué par une couche d'isolation réfractaire, un revêtement de fond à base de carbone muni de barres de transport, et une couche de carbone foulé précuit et/ou monolithique, sur les parois latérales. En cours d'utilisation, la coque d'acier extérieure de la cathode se déforme du fait des contrain- tes thermiques et mécaniques. Le revêtement de la cathode doit être remplacé au bout d'un temps de fonctionnement se situant normalemententre 1 et 6 ans. Le revêtement est retiré de la coque d'acier et déposé, tandis que la coque d'acier extérieure, normalement très coiteuse, est réutilisée après une réparation coûteuse. Même après avoir été réparées, les coques d'acier restent toujours déformées et présentent des tolérances réduites de sorte que des contraintes mécaniques sont introduites dans ces coques d'acier. Cela implique que lorsqu'on refait le revêtement d'une cathode obtenue à partir d'une coque d'acier réparée, Il est très difficile d'obtenir une bonne adaptation entre la coque d'acier extérieure et le nouveau revêtement. La qualité d'une cathode refaite sur la base d'une coque d'acier réparée, est donc en moyenne plus faible que celle d'une cathode basée sur une coque d'acier neuve. Cette qualité réduite des cathodes peut conduire à des difficultés de fonctionne- ment et à une durée de vie plus courte de la cuve de réduction. Lorsqu'on utilise une coque d'acier extérieure, le montage des différentes parties du revêtement et des barres de transport doit être effectué à l'intérieur de la coque d'acier. Il est donc nécessaire de travailler à l'intérieur d'une boîte d'acier relati- vement étroite. Cette manière de monter la cathode rend difficile le réglage des blocs de carbone individuels des parois latérales et du fond en relation correcte les uns par rapport aux autres, ce qui conduit à la nécessité de relier les blocs de carbone en utilisant une pâte de bourrage normalement constituée par un matériau à base de carbone. L'utilisation d'une pâte de bourrage n'est cependant par souhaitable, car des fissu- res ont tendance à se développer au moment de la cuisson de la pâte, et des éléments du bain électrolytique fondu peuvent ainsi, pendant le fonctionnement de la cuve électrolytique, passer à travers le revêtement et détruire ainsi celui-ci. Pour obtenir la plus grande durée de vie possible du revêtement de carbone, il est donc préférable d'utiliser un revêtement complètement monolithique. Pour les raisons ci-dessus, il n'est pas possible de réaliser cette condition lorsque le revête- ment doit être monté à l'intérieur d'une coque d'acier. Les procédés connus sont donc limités à la jonction monolithique des blocs de carbone du revêtement de fond. La coque d'acier extérieure limite, en outre, la dilatation libre du revêtement. Cette dilata- tion se produit du fait des processus chimiques et thermiques développés dans les blocs de carbone pendant le fonctionnement de la cuve. La limitation de la dila- tation du revêtement est probablement à l'origine des fissures du revêtement de carbone qui réduisent la durée de vie de celui-ci. Le montage du revêtement à l'intérieur de la coque d'acier rend difficile la mécanisation du processus de montage, car la plus grande partie du travail doit être effectuée manuellement. Cela augmente notablement les coûts de l'opération de démontage. L'invention a pour but de créer une coque extérieure pour cellule de réduction électrolytique destinée à l'électrolyse de sels fondus, ainsi qu'un procédé de production d'une cathode destinée à ces cellules de réduction électrolytique, permettant de remédier aux difficultés et inconvénients ci-dessus des cellules électrolytiques utilisant une coque d'acier extérieure. A cet effet, l'invention concerne une coque extérieure pour cellule de réduction électroly- tique d'électrolyse de sels fondus, et de préférence pour cuve électrolytique de production d'aluminium, caractérisée en ce que la coque extérieure est réalisée en béton. La coque extérieure peut être réalisée à partir de n'importe quel béton classique stable à la température à laquelle cette coque extérieure est exposée pendant le fonctionnement normal de la cellule de réduction électrolytique. Selon une forme préférée de réalisation de l'invention, la coque extérieure est réalisée dans un béton réfractaire, tel que du béton à base de ciment d'alumine chargé d'une matière de remplissage réfractaire. Suivant une autre forme de réalisation de l'invention, la coque extérieure est réalisée complè- tement ou partiellement en béton armé. On peut utiliser comme renforcement un ferraillage d'acier ordinaire ou des fibres constituées par exemple par des fibres d'acier ou des fibres de carbone. Selon une autre forme encore de réalisa- tion de l'invention, la coque extérieure est réalisée dans un matériau de béton composé comprenant au moins deux couches de béton présentant des compositions et des propriétés différentes. De plus, des bétons présentant des compositions et des propriétés différentes, peuvent être utilisés dans le fond et sur les parois latérales de la coque extérieure. L'invention concerne également un procédé de production d'une cathode de cellule électro- lytique pour électrolyse de sels fondus, et en particulier une cathode de cuve de réduction électrolytique pour la production d'aluminium, procédé caractérisé en ce que la cathode est montée sur un moule présentant une confi- guration et des dimensions extérieures correspondant à la configuration et aux dimensions intérieures de la. cathode terminée, en plaçant successivement sur ce moule des blocs de carbone de fond, éventuellement des blocs de carbone intermédiaires, des blocs de carbone de parois latérales, des barres de transport, une couche de barrière éventuelle et des couches de matériau d'isolation réfrac- taire, après quoi une coque extérieure en béton est coulée sur les couches de matériau d'isolation réfractaire. Après la prise du béton, la cathode terminée est retirée du moule. Suivant une forme de réalisation du procédé selon l'invention, un châssis de transport est monté autour de la coque extérieure avant la prise du béton. Une bonne adaptation est ainsi obtenue entre le châssis et la coque extérieure. Pour obtenir un revête- ment de carbone monolithique, il est préférable de coller tous-les blocs de carbone ensemble pendant le montage. Cela donne un revêtement monolithique réduisant les risques de pénétration de l'électrolyte et du métal fondu, en empêchant ainsi le flottement et la déformation des blocs de carbone du fond. Le procédé selon l'invention permet de simplifier notablement le processus de production de la cathode comparativement aux procédés connus de production de cathodes pour ce type de cellules électrolytiques, car le processus de production est facile à mécaniser. Comme le montage de la cathode commence par le revêtement de carbone, une adaptation très précise est obtenue entre chacun des blocs de carbone du revêtement. Cela donne une construction très dense et mécaniquement très solide, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une pâte de bourrage. Enfin, une bonne.adaptation entre la coque exté- rieure et le:revêtement est obtenue du fait que la coque extérieure est obtenue en coulant le béton directement sur le revêtement. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir un très grand degré de liberté aux variations de formes géométriques de la cathode telles que la longueur, la largeur, la hauteur etc. Les parois latérales peuvent dans une certaine mesure être réalisées en matière plastique pour réduire les forces agissant sur le revête- ment de carbone lorsque celui-ci se dilate pendant le fonctionnement de la cellule électrolytique. De plus, la section transversale des barres de transport et le nombre de ces barres de transport peuvent être choisis beaucoup plus librement.que lorsqu'on utilise le procédé connu de production des cathodes pour cellules électro- lytiques. Lorsqu'on remplace les cathodes ayant été produites par le procédé selon l'invention, il n'est pas nécessaire de tenir compte de la coque de béton extérieure, car la cathode comprenant la coque extérieure en béton, est déposée. Cela signifie que les cathodes peuvent être remplacées en un temps beaucoup plus court que par le procédé selon l'art antérieur dans lequel il est nécessaire de régler le châssis porteur sur la coque d'acier extérieure du fait que toutes les coques d'acier extérieures réparées présentent des dimensions différentes. La coque extérieure réalisée en béton selon l'invention, est nettement moins chère que les coques extérieures en acier. Outre le fait que le procédé de production des cathodes est beaucoup plus simple, les cathodes selon l'invention peuvent être produites à des coûts nettement plus fiables que les cathodes selon l'art antérieur. L'invention sera décrite plus en détails ci-après en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe verticale d'une cathode terminée montée dans un chassis porteur, et - la figure 2 représente une vue en coupe verticale d'une cathode terminée avant que celle-ci soit retirée du moule. La figure:1 représente une cathode ter- minée pour cuve électrolytique de production d'aluminium. La cathode comprend des blocs de carbone de fond 1, des blocs de carbone intermédiaires 1, des blocs de carbone de parois latérales 3, des barres de transport 4, des couches de matériau d'isolation réfractaire 5, 6, une couche de barrière 7, et une coque extérieure-8 en béton. La cathode est montée dans un châssis porteur 9 reposant sur un plancher 10. On décrira maintenant sur la figure 2 un procédé préféré de production d'une cathode pour cuve électrolytique de production d'aluminium. Sur une forme ou moule 11 présentant une configuration et des dimensions extérieures égales à la configuration et aux dimensions intérieures de la cathode terminée, on monte les blocs de carbone de fond 1 en reliant ces blocs 1 les uns aux autres par collage. Ensuite, on monte les blocs de carbone intermédiaires 2, ces blocs de carbone intermédiaires 2 étant reliés les uns aux autres et aux blocs de carbone de fond 1 par collage. On monte enfin les blocs de carbone de parois latérales 3, ces blocs de carbone de parois latérales 3 étant reliés les uns aux autres et aux blocs de carbone intermédiaires 2 par collage. Cela permet d'obtenir un revêtement de carbone monolithique parfaitement dense. Les blocs de carbone de fond 1, les blocs de carbone intermédiaires 2 et les blocs de carbone de parois laté- rales 3 sont préformés pour obtenir la meilleure adapta- tion possible entre ces blocs de carbone individuels lorsqu'ils sont montés. Les barres de transport 4 peuvent être reliées aux blocs de carbone de fond 1 soit avant que ces blocs de carbone de fond 1 soient places sur la forme 11, soit après que ces blocs de carbone de fond 1 soient placés sur la forme ou moule 11. Etant donné que les barres de transport 4 ne doivent pas passer à travers les ouvertures d'un boîtier d'acier extérieur, comme dans le cas du pro- cédé selon l'art antérieur, les problèmes posés par le montage de blocs de carbone de fond munis de barres de transport, à l'intérieur d'une coque d'acier, sont complè- temerit supprimés. Lorsque le revêtement de carbone est terminé, on met en place la couche de matériau d'isola- tion réfractaire 5. La couche de barrière 7 peut maintenant être montée avec une bonne adaptation contre les blocs de carbone de fond 1, après quoi la couche d'isolation réfractaire de fond 6 est placée sur la couche de barrière 7. La coque de béton extérieure 8 est maintenant produite, de préférence par projection du béton. Après la prise du béton, la cathode terminée est retirée du moule 11. R E V E N D ICAT IONS 1 ) Coque extérieure pour cellule électro- lytique d'électrolyse de sels fondus, et de préférence pour cuveélectrolytique de production d'aluminium, coque extérieure caractérisée en ce qu'elle est réalisée en béton. 2 ) Coque extérieure selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que cette coque extérieure est constituée par une construction de coque en béton. 3 ) Coque extérieure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que cette coque extérieure est réalisée en béton à base de ciment réfractair e. 4 ) Coque extérieure selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que cette coque extérieure est réalisée complètement ou partiellement en béton armé. ) Coque extérieure selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce que cette coque extérieure est réalisée complètement ou partiellement en béton armé par des fibres. 6 ) Coque extérieure selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que cette coque extérieure est réalisée dans un matériau de béton composé, comprenant au moins deux couches de béton présentant des compositions et des propriétés différentes. 7 ) Coque extérieure selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que le fond et les parois latérales de cette coque extérieure sont réalisées-dans des bétons présentant des compositions et des propriétés différentes. 8 ) Procédé pour produire une cathode de cellule électrolytique pour cellules d'électrolyse de sels fondus, et de préférence une cathode pour cuve électrolytique de production d'aluminium, utilisant une coque extérieure selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, procédé caractérisé en ce que la cathode est montée sur un moule (11) présentant une configuration et des dimensions extérieures correspondant à la configuration et aux dimensions intérieures de la cathode terminée, en plaçant successivement sur ce moule des blocs de carbone de fond (1), éventuellement des blocs de carbone intermédiaires (2), des blocs de carbone de parois latérales (3), des barres de transport (4), une couche de barrière éventuelle (7) et des couches de matériau d'isolation réfractaire (5, 6), après quoi une coque extérieure en béton (8) est coulée sur les couches de matériau d'isolation réfractaire (5, 6). 9 ) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les blocs de carbone de fond (1), les blocs de carbone intermédiaires éventuels (2) et les blocs de carbone de parois latérales (3) sont reliés les uns aux autres par collage, ce qui permet ainsi d'obtenir un revêtement de carbone monolithique. ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'un châssis porteur est monté autour de la coque extérieure (8) avant la prise du béton.