Brevet FR2610332A1 — publié le 19880805

La présente invention concerne les éléments précuits en carbone contituant les anodes des cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée. Elle a pour but de réduire la consommation spécifique d'énergie en diminuant la chute de tension dans chaque élément. Les anodes précuites des cellules d'électrolyse actuelles sont formées de plusieurs éléments constitués par des blocs de carbone. Chacun de ces éléments est suspendu à une barre verticale en aluminium servant de conducteur électrique. La liaison entre la barre et le bloc carbone se fait par l'intermédiaire d'une partie acier comportant plusieurs tiges verticales. Les extrémités des tiges verticales pénètrent dans le carbone et sont scellées avec de la fonte coulée, ce qui assure la liaison mécanique et le contact électrique. Actuellement, le courant électrique traversant le carbone sur toute la hauteur sous les tiges acier, subit une chute de tension relativement élevée surtout lorsque les blocs sont neufs et froids et tant que l'usure n'est pas importante. D'autre part, dans les cellules à haute intensité, la forte épaisseur du bain d'électrolyse exige un retrait prématuré de chaque bloc pour assurer la protection des tiges conductrices en acier contre les attaques du bain dont l'épaisseur peut être supérieure à 200 mm. Les anodes pénétrant dans le bain sont maintenues à environ 40 m de son niveau inférieur, les blocs sont retirés avant d'atteindre l'épaisseur minimum de 160 mm, pour éviter que le bain recouvre la face supérieure de l'anode et attaque les tiges acier. Dans les procédés -habituels de fabrication des blocs d'anodes, le plan inférieur des tiges acier est placé dans les blocs carbone à la profondeur minimum nécessaire pour assurer de bonnes liaisons mécaniques et électriques. Sous les tiges d'acier une importante épaisseur de carbone n'est pas consommée et provoque durant la période d'utilisation du bloc, une chute de tension préjudiciable. La présente invention a pour objet de réduire la chute de tension dans les éléments précuits en carbone 10 en diminuant la résistance électrique par l'adjonction de shunts en aluminium coulés dans des logements cannelés pratiqués dans le carbone, 20 en ramenant au minimum l'épaisseur de carbone protégeant le dessous des tiges acier d'amenée de courant, en fin d'utilisation des éléments. Dans ce but, les tiges acier des contacts électriques protégées par des bordures ont leurs plans inférieurs abaissés et positionnés en fonction de la hauteur du bain d'électrolyse. La réalisation de la première partie de l'invention consiste à dévier du circuit habituel une part importante du courant électrique par l'intermédiaire d'aluminium coulé dans un ou plusieurs logements cannelés aménagés dans les blocs de carbone. Le courant électrique empruntant en grande partie le circuit aluminium meilleur conducteur, la chute de tension dans les blocs carbone est réduite. Dans le cas de plusieurs logements, ceux-ci sont de longueurs différentes. Durant la marche d'une cellule, quand l'usure d'un élément d'anode arrive au niveau inférieur du logement le plus profond, l'aluminium contenu dans ce logement s'écoule et rejoint l'aluminium de la cellule. L'autre ou les autres pénétrations aluminium continuent à jouer leur rôle conducteur jusqu'à ce que l'usure de l'anode les atteigne. Vers la fin de l'utilisation d'un bloc, les contacts abaissés acierfonte assurent la liaison électrique. Le bloc usé en grande partie devenu meilleur conducteur, la chute de tension est faible. L'aluminium coulé dans les logements peut être relié à la barre conductrice de suspension par l'intermédiaire de tiges aluminium dont les parties supérieures sont soudées à la barre aluminium et dont les extrémités inférieures pénétrant dans le carbone sont scellées par de l'aluminium coulé. La liaison électrique avec l'aluminium coulé dans les logements peut se faire par des tiges acier supplémentaires surélevées par rapport aux autres tiges acier d'amenée du courant. Ces tiges supplémentaires sont scellées avec de la fonte au bloc carbone. Une protection constituée par une légère épaisseur de carbone est placée entre le plan inférieur des tiges acier et l'aluminium des logements. Le niveau inférieur des tiges supplémentaires est déterminé de façon qu'en fin d'utilisation des blocs, le bain n'atteigne pas ce niveau en remontant dans les logements vidés de l'aluminium. Le circuit de dérivation peut être réalisé également par de l'aluminium coulé dans des logements dont les parties supérieures sont aménagées de façon que l'aluminium se rapproche le plus possible des tiges acier d'amenée de courant. Pour diminuer la chute de tension, objet de la deuxième partie de l'invention, les tiges acier servant de suspension et de contact électrique sont abaissées dans les blocs afin de conserver une épaisseur protectrice de carbone très faible sous les tiges en fin d'utilisation d'un élément d'anode. Le niveau inférieur des tiges est déterminé en fonction de la hauteur du bain des cellules d'électrolyse. L'abaissement des tiges conductrices en acier permet la réalisation sur le pourtour de la face supérieure des blocs d'anodes d'une bordure de protection de ces tiges contre les attaques du bain lorsque les blocs sont en fin d'utilisation. La protection des tiges contre le bain remontant dans.les logements après écoulement de l'aluminium est assurée par le carbone entourant la partie supérieure des orifices des shunts. En plus des gains réalisés par la diminution de la chute de tension, la nouvelle conception des blocs d'anodes apporte une meilleure répartition du courant sur l'ensemble d'une cellule. Les perturbations provoquées lors de la mise en place d'un élément neuf sont considérablement atténuées car la différence de résistance électrique, entre un élément neuf et un élément en service usé qu'on retire, est diminuée par rapport à la diffe- rence de résistance entre un élément neuf actuellement utilisé et un élément usé. Les figures des planches annexées 1/4, 2/4, 3/4 et 4/4 représentent des éléments d'anodes réalisés suivant la présente invention. La figure 1 montre en élévation un élément d'anode avec sous la tige aluminium d'amenée de courant (1), trois tiges acier conductrices abaissées et placées en ligne (2). Les shunts en aluminium (3) (4) (5) (6) de longueurs différentes dérivent le courant à partir de la tige aluminium (1). La coupe de la figure 2 fait ressortir que la partie de chaque shunt en contact avec la tige aluminium (1) n'est pas en alignement vertical avec la partie noyée dans le bloc carbone, la liaison est assurée par de l'aluminium coulé dans une large rainure horizontale (7) pratiquée dans le carbone. Cette disposition améliore le refroidissement de la partie supérieure, procure une meilleure liaison électrique et permet de disposer les logements pratiqués dans le carbone aux emplacements les mieux adaptés. Pour protéger le carbone, une légère quantité d'alumine est placée sur la partie supérieure de l'anode, en regard des trous provoqués par la coulée de l'aluminium des shunts (3) (4) (5) (6) de longueurs différentes. La figure 3 montre le circuit électrique par tiges acier surélevées (8) scellées au bloc carbone avec la fonte (9). Ces tiges acier sont protégées de l'aluminium en fusion des shunts par une faible épaisseur de carbone (10). Les 4 shunts (11) (12) (13) (14) ont des longueurs différentes. L'autre circuit électrique est assuré par des tiges acier abaissées (2). La figure 4 en plan indique la répartition des 4 dérivations électriques par tiges acier surélevées correspondant aux shunts aluminium (11) (12) (13) (14) et des 4 alimentations électriques par tiges acier abaissées (2). Les figures 5 et 6 montrent un élément d'anode avec un circuit électrique comportant 2 tiges acier surélevées scellées au bloc carbone avec de la fonte (9). Ces tiges acier sont protégées de l'aluminium en fusion des shunts par une faible épaisseur de carbone (10). Les 2 shunts (15) et (16) ont des longueurs différentes. L'autre circuit électrique est assuré par 2 tiges acier abaissées (2) La figure 7 montre les shunts aluminium (17) et (18) de longueurs différentes dérivant une partie du courant des tiges acier abaissées (2). Au dessus des shunts (17) et (18), du carbone ou de l'alumine (19) assure la protection du carbone de la paroi du logement des shunts après écoulement de l'aluminium. Les éléments d'anode, objet de l'invention, peuvent équiper toutes les cellules d'électrolyse pour la production d'aluminium utilisant un système anodique précuit. REVENDICATIONS 1 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone, caract- risés par le fait qu'ils comportent un ou plusieurs shunts en aluminium (3) (4) (5) (6), (11) (12) (13) (14), (15) (16), (17) (18), coulés dans des logements cannelés pratiqués dans les blocs et des amenées de courant par tiges acier abaissées (2). 2 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone comportant des shunts en aluminium suivant la revendication 1, caractérisés par le fait que dans le cas d'utilisation de plusieurs shunts ceux-ci ont des longueurs différentes. 3 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone comportant des shunts en aluminium suivant revendication 1, caractérisés en ce que l'alimentation électrique des shunts (3) (4) (5) (6) se fait directement à partir de la barre conductrice de suspension en aluminium (1) et également par dérivation à partir des tiges acier abaissées d'amenée de courant (2). 4 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone comportant des shunts en aluminium suivant revendication 1, caractérisés en ce que l'alimentation électrique des shunts (11) (12) (13) (14), (15) (16) se fait à partir des tiges auxiliaires en acier (8) scellées aux blocs de carbone par la fonte (9) et surélevées par rapport aux autres tiges d'amenée de courant (2). Les shunts dérivent aussi du courant provenant des tiges acier abaissées d'amenée de courant (2). 5 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone comportant des shunts en aluminium suivant revendication 1 caractérisés par le fait que l'alimentation électrique des shunts (17) (18) se fait en dérivant une partie du courant provenant des tiges abaissées d'amenée de courant (2). 6 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone caractérisés par le fait que les tiges abaissées (2) d'amenée de courant suivant revendication 1 ont une pénétration dans le carbone qui est en fonction de la hauteur du bain d'électrolyse de manière à conserver le minimum de carbone sous leur plan inférieur en fin d'utilisation des blocs. 7 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone avec tiges acier d'amenée de courant abaissées suivant revendication 6, caractérisés par le fait que cet abaissement permet la réalisation sur le pourtour de la face supérieure des blocs d'une bordure de protection (20) des tiges contre les attaques du bain d'électrolyse en fin d'utilisation des blocs de carbone. 8 - Eléments d'anodes pour cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée constitués par des blocs précuits de carbone avec tiges acier d'amenée de courant abaissées suivant revendication 6, caractérisés par le fait que la protection des tiges contre les attaques du bain remontant dans les orifices des shunts après l'écoulement de l'aluminium de ces shunts, est assurée par le carbone (21) entourant la partie supérieure des orifices des shunts, carbone qui est maintenu au niveau supérieur de la bordure du pourtour.