Brevet FR2600450A1 — publié le 19871224

PROCEDE DE MARQUAGE INDIVIDUEL DES ANODES PRECUITES POUR LA PRODUCTION ELECTROLYTIQUE D'ALUMINIUM DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de marquage individuel des anodes précuites pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue à 930/960 C selon le procédé HallHéroult. A l'heure actuelle, la grande majorité des installations modernes pour la production d'aluminium, dans le monde entier fait appel à la technique dite des "anodes précuites". A partir d'une pâte carbonée à base de brai et de coke, malaxée à /200 C, on moule les anodes, généralement par vibro-tassage, on les cuit pendant une centaine d'heures environ à 1150/1200 C et on les raccorde ensuite, par scellement à la fonte, à un système de suspension dit "tige d'anode" qui assure le support mécanique et la liaison électri15 que avec le cadre anodique. On sait que les anodes brûlent progressivement, à leur partie inférieure, sous l'effet de l'oxygène provenant de la dissociation électrolytique de l'alumine. Il faut donc les remplacer périodiquement. 20 Parmi les divers paramètres, électriques et électrochimiques que l'exploitant surveille et cherche à optimiser, la vitesse de combustion des anodes (c'est-à-dire en fin de compte, la consommation de carbone par tonne d'aluminium produit) est un des plus importants. Le changement 25 périodique des anodes, même automatisé, reste une opération délicate, qui apporte quelques perturbations à la cuve d'électrolyse, car elle entraîne un refroidissement local du bain, et un déséquilibre local du courant d'électrolyse pendant toute la durée de mise en équilibre thermique de la nouavelle anode. On cherche donc à augmenter autant que 30 faire s, peut la dur5e de vie des anodes et également à augmente:- leur conductivité électrique. Pour cela, l'expioitant peut jouer sur de nombreux paramètres: qualité du brai, qualité et granulométrie du ccke, - 2 efficacité du malaxage, efficacité du mode de mise en forme par pression, ou par vibration, ou par choc, ou par combinaison de plusieurs de ces moyens, et enfin cuisson au four. Pour faire une corrélation entre les caractéristiques d'une anode donnée et les facteurs qui ont conduit à ces caractéristiques, il serait souhaitable que, par un procédé quelconque, les anodes soient suivies du début à la fin de leur cycle d'existence. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE A ce jour, diverses tentatives ont été réalisées pour identifier les anodes. Il s'est agiten général de gravure de numéro en cours ou après compactage de l'anode. Ce numéro apparaït en creux sur l'anode. Il peut 15 s'agir d'un numéro de lot, par exemple hebdomadaire, ou d'un numéro individuel représentant une anode bien déterminée. Cependant, ce marquage présente l'inconvénient majeur de ne pas permettre une relecture automatisée aux - différentes étapes du cycle de vie de 20 l'anode. En effet, outre que les dispositifs adéquats n'existent qu'à l'état de développement, les gravures souffrent en général lors de l'étape de cuisson des anodes, des déformations de surface de ces dernières, et de l'éventuelle incrustation de matériau de garnissage. La lecture du numéro devient alors délicate même pour un opérateur averti. 25 D'autre part, le marquage "par lots" n'est pas satisfaisant. En effet, une série moderne de 240 cuves à 16 anodes d'une durée de vie moyenne de 24 jours, par exemple, implique une production hebdomadaire de plus de 1100 anodes, et on peut craindre que, sur une telle période, les 30 fluctuations des différents facteurs sur l'ensemble du cycle de production rendent peu significatives les différences de comportement individuel des anodes. OBJET DE L'INVENTION - L'objet de l'invention est un procédé de marquage individuel des anodes qui ne perturbe ni ne retarde la chaîne de production, et qui reste lisible depuis l'étape "crue" jusqu'au traitement ultime du mégot d'anode dans le chantier de scellement. Ce procédé est caractérisé en ce que, au moment de la mise en forme des anodes, ou immédiatement après cette mise en forme, on fait apparai5 tre, à la partie haute de chaque anode, dans une zone qui a toutes chances de rester intacte jusqu'à la fin de sa vie, une pluralité d'empreintes dont l'ensemble constitue un codage digital du numéro d'identification de cette anode. La forme et la réalisation de ces empreintes est telle que, même après cuisson, la relecture du code peut 10 être assurée. DESCRIPTION DES FIGURES Les figures 1 à 8 illustrent ia mise en oeuvre de l'invention. 15 La figure 1 représente, de façon très schématique, en coupe verticale, un dispositif classique de mise en forme d'anode par vibrotassage. La figure 2 représente ce même dispositif en vue de dessus, couvercle du moule enlevé. 20. La figure 3 représente un exemple de marquage d'anode selon l'invention, en système binaire (A) et en système ternaire (B). La figure 4 représente en coupe verticale un exemple de réalisation d'empreintes au moment du moulage de l'anode. La figure 5 représente un dispositif de formation d'empreintes de 25 marquage par forage de l'anode moulée. La figure 6 montre un dispositif de lecture simultanée des n empreintes par un système à palpeurs. La figure 7 montre un exemple de dispositif de lecture séquentielle des n empreintes. 30. La figure 8 montre le marquage complémentaire de la tige d'anode associée à une anode donnée, elle-même porteuse d'un marquage individuel. La mise en forme d'une anode (l)(souvent appelé compactage) s'effectue, par introduction d'une quantit4 prédéterminée de pâte carbonée dans 35 le mouie (2) à une température qui est généralement de l'orGre de 140:C. Le compactage peut s'effectuer par différents moyens connus de l'homme de l'art. Dans le cas des figures 1 et 2 on a schématisé un compactage par "vibro-tassage" dans lequel on associe une vibration à composante sensiblement verticale créée par deux arbres rotatifs à balourd excentré, symbolisés par (3), en opposition de phase, à un effet de tassage par chocs répétés dus aux mouvements du couvercle (4) généralement appelé 5 "empreinte" qui saute sous l'action de la vibration et retombe sous l'effet de son propre poids (qui doit être relativement élevé), 2 à 4 tonnes par exemple. L'empreinte (4) assure, en même temps, la structure de la- partie 10 supérieure de l'anode (1) avec, notamment, ses pans coupés (5) et ses trous de bouchons (6) dans lesquels s'effectuera ultérieurement le scellement à la fonte des pattes qui se raccordent à la tige de fixation anodique, comme on peut le voir sur la figure 8. Le moule est disposé sur une table vibrante (7), qui en forme le fond. Cette table est supportée élastiquement par les ressorts (8). Le moule comporte 4 parois dont, en général, deux (parois transversales (9)) sont amovibles et deux (parois latérales (10)) sont fixes. En position de vibro-tassage, les deux parois amovibles (9) sont solidement verrouillées et maintenues par des moyens mécaniques et/ou hydrauliques, non représentés, car ils ne font pas partie de l'invention. Après une durée de vibro-tassage prédéterminée, fixée par l'expérience 25 (de l'ordre de 1 à 2 minutes), les parois (9) sont dégagées et un vérin (11) pousse l'anode moulée (1) vers le convoyeur, par exemple à rouleaux (12), en direction d'un stockage intermédiaire, en vue de la cuisson au four. 3Q Le marquage individuel des anodes par la série d'empreintes qui vont constituer le codage digital de leur numéro d'identification, peut s'effectuer soit pendant le vibro-tassage, soit immédiatement après. Nous examinerons en premier lieu les différents types d'empreintes de 35 marquage que l'on peut utiliser, puis les moyens de les réaliser, et les moyens de les relire. 1. Types d'empreintes Le marquage digital binaire est certainement le plus simple à mettre en oeuvre, puisqu'il suffit de former un creux ou une bosse dans l'anode pour coder un 1 (par exemple) et de prendre le plan d'origine de la 5 zone de marquage comme niveau 0. Mais 8.digits ne permettent de coder que 255 positions, ce qui est trop peu, sachant qu'une série moderne de 240 cuves de 180 KA consomme plus de 1100 anodes par semaine. Si l'on veut en outre ajouter un bit de parité et un ou plusieurs bits de contrôle pour s'assurer du bon positionnement de l'anode lors des 10 phases ultérieures de relecture et suivre les fabrications d'anodes sur plusieurs mois, il faut passer à au moins 16 bits (65536 valeurs + 1 bit de parité, soit 17 empreintes de marquage). Une autre solution peut consister en un codage ternaire tel que: creux = 0, plan de référence = 1, bossage = 2, ou toute autre combinaison telle que: creux de profondeur 2h = 2, creux de profondeur h=l, plan de base (ou bossage) = 0. Dans ce cas, 10 empreintes de marquage donnent 310 = 59049 valeurs, plus une onzième empreinte de contrôle de parité. Il ne s'agit que d'exemples qui ne constituent pas une limitation de l'invention. La réalisation pratique des empreintes de marquage s'effectue automatiquement, et sans réduire la cadence de production des anodes, 25 soit en cours de compactage, soit immédiatement après compactage de chaque anode. 2. Marquage en cours de compactage Une série de vérins (13., en nombre égal à celui des empreintes de marquage à faire apparaî:re sur l'anode (1) en cours de compactage, sont assujettis soit sur le couvercle (4), soit à la partie supérieure dû la cloison fixe (10). Un embout (14) en acier dur est fixé à l'extrémité de la tige (15) du vérin. L'avance de la tige (15) peut 35 s'effectuer par translation, ou, mieux, par rotation dans le logement fileté (16) qui traverse la paroi (16) ou le couvercle (4), ce qui assure un blocage plus énergique et plus stable, surtout si l'on tient compte de l'amplitude et de la fréquence des vibrations qui animent le moule. L'embout (14) a, dans le cas d'un marquage binaire, au moins deux positions stables * la position A: embout faisant saillie à l'intérieur du moule, et la position B affleurant la paroi du moule. Dans le premier cas, on forme une empreinte en creux, dans le second cas, aucune empreinte qui se forme dans l'anode. Pour un marquage ternaire, une troisième position correspond par exemple à la formation d'une empreinte 10 de creux de profondeur double de la première. Il est également possible de former des empreintes en relief, en disposant des réserves en creux sur l'une des parois du moule ou sous le couvercle (4). Dans les différents cas, la commande des vérins (qu'ils soient à mouve15 ment de translation ou de rotation) est effectuée par l'intermédiaire d'un microprocesseur qui, à partir du numéro décimal attribué séquentiellement à chaque anode moulée, assure la conversion en système binaire ou ternaire ou autre et active les vérins assurant la formation de l'ensemble des empreintes formant le code individuel de chaque anode. 20 Ce code peut comporter, par exemple, la date, l'heure et/ou un numéro séquentiel d'identification de l'anode, plus un repère (X, Y, fig. 3A et B) permettant de positionner correctement l'anode lors de l'étape de relecture. 3. Marquage après compactage Un autre moyen pour former les empreintes de marquage, mais cette fois hors du moule, consiste à forer les différentes empreintes dans l'anode moulée, qui est à une température de l'ordre de 130 à 150 C. 30 L'anode (1), fig. 7, est d'abord immobilisée dans une position prédéterminée. Un cadre rigide (18) supportant un dispositif de forage (19) vient s'appuyer sur deux faces opposées (lA, lB) de l'anode pour fixer ia position de travail. Le dispositif de forage, supporté par 5 la glissière ou crémaillère (20) peut effectuer un mouvement de montéedescente. Il est muni d'un mandrin (21) dans lequel est serré un outil de forage, tel que fraise ou foret. Le tube (23), est relié à un moyen d'aspiration des débris de pâte carbonée résultant du forage des empreintes. L'ensemble foreuse (19) + crémaillère (20) se déplace- en outre longitudinalement sur le rail (24). Les deux mouvements: descente puis remontée de la foreuse (19) pour forer une empreinte de marquage, puis déplacement d'un pas pour forer l'empreinte suivante sont commandés de façon classique par microprocesseur, de façon à reproduire sous forme digitale le numéro de l'anode 10 assigné par le programme, ce numéro étant incrémenté d'un digit à chaque anode nouvelle. Un codage binaire s'effectue par une succession de trous et d'absence de trous, un codage ternaire peut s'effectuer par forage de trous de deux profondeurs différentes, et absence de trous (0,1,2). 15 Pour une très grande cadence de production, le rail (24) est muni d'un nombre (N) de foreuses (19) pouvant aller jusqu'au nombre d'empreintes à forer. Chaque foreuse est munie de sa propre crémaillère (20) et les empreintes sont forées simultanément. Quels que soient le procédé et le codage utilisés pour former les empreintes de marquage, il importe que ces empreintes soient formées dans une zone de l'anode qui restera intacte après son extraction de la cuve d'électrolyse et qui constituera le "mégot". 25 En pratique, on effectuera donc le marquage (27) dans la partie haute de l'anode, sur le sommet, sur les pans coupés (5) ou sur les rebords latéraux supérieurs, la limite étant indiquée de façon purement indicative par le trait pointillé (28), fig. 5. 30 4. Lecture des marquages La lecture du marquage individuel des anodes par empreintes moulées ou forées est effectué, de préférence, par un palpeur mécanique, tel 35 que celui qui est schématise sur les figures 6 et 7. Un cadre rigide (317 analogue au cadre support (10) de l'outil de forage se positionne sur deux faces parallèles de l'anode. Dans le cas de la figure 6, on effectue une lecture parallèle simultanée des n empreintes au moyen de n palpeurs (32) agissant soit en contact de proximité, Soit en contact mécanique, en venant en appui sur les fonds des empreintes (pour un 1) ou sur le plan de référence (pour un 0). Dans le cas de la figure 7, on effectue une lecture séquentielle (série), par le déplacement par pas du détecteur (33) le long de la réglette (34). Le palpeur (32) détecte, à chaque pas, la présence ou l'absence d'un creux ou d'une bosse. Dans les deux cas (fig. 6 et 7), le mouvement du palpeur est traduit en grandeur électrique par des procé10 dés classiques tels que transformateur différentiel ou dispositif potentiométrique. La lecture analogique est convertie en valeur digitale puis décimale et le numéro d'anode est directement affiché, par exemple, sur un système de visualisation classique à 7 segments (35). 5. Report de marquage Il est également possible, après scellement de l'anode (1) sur sa tige support (29) de reporter le numéro individuel de l'anode sur la tige, en partie haute, dans une zone o l'élévation de température reste limi20 tée à une centaine de degrés au maximum. Ce double marquage constitue une sécurité et il permet aussi de savoir, à tout moment, pendant l'électrolyse (o le marquage de l'anode proprement dite n'est pas accessible), quel est le numéro de l'anode qui présente une anomalie ou un phénomène quelconque intéressant. Ce marquage (30) peut s'effectuer 25 par une simple encre ou peinture résistant à la température de service et aux conditions d'environnement, par exemple sous forme de "code à barres" ou de tout autre code analogue à lecture optique. Le code (30) marqué sur la tige d'anode (29) doit bien entendu être 30 effacé avant réutilisation de la tige sur une anode neuve. Le dispositif de lecture des marquages digitaux-(27) peut être couplé au système de lecture du code (30) marqué sur la tige d'anode (29), de façor à Déclencher une alarme s'il y a discordance entre les deu: 35 lectures. AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION C'est un procédé qui permet un suivi individuel, systématique, complètement automatisable sur la totalité du cycle d'une anode depuis la sortie de la compacteuse jusqu'au retour des mégots dans le chantier de scellement. A) Avantages d'un suivi individuel des anodes 1. Repérage des produits aux différents points clés de l'installation: 10 Fabrication crue (compactage de la pâte) stockage des anodes crues enfournement banc de contr8le (mesures, carottage) stockage des anodes cuites 15 scellement des tiges support stockage des anodes scellées mise en place sur la cuve d'electrolyse sortie du mégot d'anode usée traitement du mégot (récupération des éléments: carbone, électrolyte, 20 fonte, tiges métalliques). 2. Amélioration de la qualité Par la détermination des facteurs de corrélation, propres à chaque installation, entre les caractéristiques des anodes d'une part, et les 25 caractéristiques de fabrication: matières premières (coke et brai), réglages du cycle de fabrication (malaxage de la pate carbonée, compactage, cuisson), on peut déterminer l'infuence de ces différents facteurs et les faire varier de façon à optimiser les caractéristiques des anodes. De même, par corrélation entre les caractéristiques des anodes et leur comportement en cours d'électrolyse, on peut optimiser la consommation spécifique d'énergie fkWb/tone d'Al produit), réduire les incidents dus aux défaillances d'anodes, améliorer les performances de l'électrolyse. B) Avantage du marquage des anodes Pour réaliser ce suivi individuel, il existe deux voies: - une voie "logicielle" qui consiste à gérer toutes les manutentions successives que peut subir une anode par un système centralisé. - une voie "matérielle" qui consiste à marquer chacune des anodes à sa fabrication puis à relire, chaque fois que nécessaire, cette information sur l'anode. L'avantage de la voie "matérielle" (marquage selon l'invention) réside dans le fait que l'on s'affranchit totalement de toutes les perturbations risquant d'affecter le circuit d'une anode (manutention manuelle parasite, rebut manuel, erreurs...). L'invention crée en effet un repère physiquement présent sur l'anode et indélébile à tous les stades de 15 sa vie. C) Avantage du marquage par empreinte + marquage des tiges - il est peu coûteux (lecteurs peu sophistiqués, identiques) - il n'introduit pas de corps étranger dans l'anode. Il est donc "transparent" par rapport au procédé - il est lisible à toutes les étapes du procédé. APPLICATIONS DE L'INVENTION Bien que l'invention ait été décrite dans le cas particulier du marquage des anodes carbonées destinées à la production d'alumine par électrolyse, il est évident qu'elle peut s'appliquer à tout produit mis en forme, dont les étapes de fabrication et de mise en oeuvre comportent des opéra30 tions multiples et dont on veut suivre l'évoluzion individuelle. C'est le cas notamment des blocs réfractaires destinés au montage de fours industriels (briques et pièces de formes diverses), à base de produits carbonés (carbone et carbures) et/ou de composés minéraux oxydés (oxydes réfractaires), ou d'autres composés minéraux réfractaires tels que boru35 res, nitrures, oxynitrures, etc... 2600450 11 L'invention peut, de la même façon, s'appliquer au marquage d'autres types de produits carbonés tels que les électrodes précuites, pour 1 'électrométallurgie. REVENDICATIONS 1. Procédé de marquage individuel des anodes précuites pour la production d'aluminium par électrolyse selon le procédé Hall-Héroult, ce marquage restant lisible depuis le stade de mise en forme de l'anode par compactage à chaud de la pâte carbonée jusqu'à l'opération -fina-le de récupération *5 des composants du mégot d'anode usée, retiré de la cuve d'électrolyse, caractérisé en ce que, lors du compactage de chaque anode ou immédiatement après ce compactage, on fait apparaître dans la partie supérieure de chaque anode une pluralité d'empreintes, en creux et/ou en relief dont l'ensemble constitue un codage digital du numéro d'identification 10 de chaque anode. 2. Procédé de marquage, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ce marquage est réalisé en code binaire, le plan de référence de la zone de l'anode supportant le marquage correspondant à un chiffre 15 binaire 0 ou 1 et une cavité, ou un bossage en relief correspondant à l'autre chiffre binaire 1 ou 0. 3. Procédé de marquage, selon revendication 1, caractérisé en ce que ce marquage est réalisé en code ternaire, un chiffre binaire (0, 1 ou 20 2) étant représenté par le plan de référence de la zone de l'anode supportant le marquage, le second chiffre ternaire étant représenté par un creux de profondeur h, et le troisième chiffre ternaire étant représenté par un creux de profondeur sensiblement supérieure à h, telle que 2 h. 4. Procédé de marquage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième chiffre ternaire est représenté par un bossage en relief au dessus du plan de référence. 5. Procédé de marquage, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, le marquage d'au moins un digit de contr8le de parité. 6. Procédé de marquage, selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il 35 comporte. er outre, au moins le marquage d'un digit de contr8le de positionnement de l'anode lors des phases ultérieures de lecture du marquage. 7. Procédé de marquage, selon la revendication 1, caractérisé en ce 5 qu'il est complété par une répétition du numéro d'identification de chaque anode sur la tige de suspension de cette anode, par exemple sous forme de code à barres à lecture optique. 8. Procédé de marquage, selon l'une quelconque des revendications 1 10 à 7, caractérisé en ce que les empreintes constituant le codage digital sont formées au moment du compactage de l'anode. 9. Procédé de marquage, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les empreintes constituant le codage digital 15 sont formées par forage de l'anode compactée. 10. Procédé de marquage, selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la lecture du marquage de chaque anode est effectuée simultanément, en parallèle, par un ensemble- de palpeurs en 20 nombre égal à celui des empreintes de marquage. 11. Procédé de marquage, selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la lecture du marquage de chaque anode est effectuée successivement, en série, par un palpeur unique parcourant 25 les empreintes de marquage. 12. Procédé de marquage, selon l'une des revendications 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que la lecture du marquage de chaque anode est comparée avec le marquage de contrôle sur la tige de suspension de l'anode, et 30 en ce qu'une discordance entre les deux lectures déclenche une alarme. 13. Application du procédé de marquage, selon l'une des revendications 1 à 10, au marquage individuel des anodes pour la production d'aluminium des électrodes carbonées pour l'électrométallurgie, et de pièces de 35 formes réfractaires en matériaux carbones, carburés, oxydés, nitrurés, etc, entrant dans la construction des fours industriels.