Brevet FR2606428A1 — publié le 19880513

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SCELLMENT, SOUS PRECONTRAINTE, DE BARRES CATRODIQUES DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé et un dispositif de scellement, sous précontrainte, des barres cathodiques dans les blocs carbonés qui constituent la cathode des cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans ces cuves, la cathode est constituée par l'assemblage de blocs carbonés parallélépipédiques, disposés en relation jointive, et à la base desquels a été taillée une (ou parfois deux) rainure dans laquelle on scelle, par coulée d'une fonte spéciale, une barre de fer (ou parfois deux demi-barres), qui dépasse aux extrémités du bloc de façon à se prolonger jusqu'A l'extérieur de la cuve; les extrémités de la barre de fer constituent les "sorties cathodiques" sur lesquelles se raccordent les "collecteurs cathodiques" qui conduisent le courant d'électrolyse jusqu'au système anodique de la cuve suivante, dans la série. Cette disposition est pratiquement universelle et on la trouve décrite, par exemple, dans les brevets FR 1 161 632 (PECHINEY) ou US 3 489 984 (BAILEY). INCONVENIENTS DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE La tendance générale est d'augmenter la puissance unitaire donc les dimensions des cuves d'électrolyse et l'intensité qui les traverse. Pour des blocs cathodiques de grandes dimensions, le choc thermique lié à la coulée de la fonte au moment du scellement dans le bloc cathodi- que engendre des contraintes mécaniques qui peuvent être assez élevées pour provoquer la fissuration de certaines zones du bloc carboné et notamment à l'extrémité des rainures ou, dans la partie centrale, sur l'arête extérieure des ailes. Si un bloc fissuré est utilisé pour la confection d'un creuset de cuve, la fissure tend à s'agrandir dans la cuve en fonctionnement; ce phénomène peut causer la mort prématurée de la cathode par infiltration d'aluminium liquide dans la fissure. C'est pourquoi tout bloc fissuré doit être rebuté, ce qui peut entraîner des surco ts considérables. Dans le brevet français FR 2 175 658 - US 3 851 377 au nom de la Société des Electrodes et Réfractaires "SAVOIE" on a proposé d'exercer, lors de la coulée, dans les parties du bloc avoisinant les arêtes longitudina- les externes des ailes, une contrainte longitudinale de compression, qui réduit sensiblement les risques d'apparition de fissures de scelle- ment. OBJET DE L'INVENTION L'objet de l'invention est un procédé de scellement d'au moins une barre cathodique métallique dans chaque rainure d'un bloc carboné paral- lélépipédique, destiné à constituer la cathode d'une cuve pour la produc- tion d'aluminium par électrolyse, ce procédé consistant à couler de la fonte liquide dans l'espace libre entre chaque barre cathodique et chaque rainure du bloc carboné, le bloc étant, pendant le scellement, placé de façon que la rainure et les ailes soient tournées vers le haut, et mis sous précontrainte pendant la coulée de la fonte et pendant une durée au moins égale à dix minutes après la fin de la coulée, caractérisé en ce que l'on applique les précontraintes d'une part aux deux extrémités du bloc, sur le rebord latéral des deux ailes, et d'autre part sur la face supérieure des ailes du bloc, en au moins un point, soit dans la partie centrale, soit en deux points intermédiaires, par exemple au 1/3 et aux 2/3 de sa longueur. Il doit être entendu que le mot "point" ne doit pas être pris dans son sens géométrique strict, mais qu'il désigne la zone dans laquelle s'exerce la contrainte et dont l'étendue correspond à celle du dispositif d'application de cette contrainte (tête du vérin ou plaque intermédiaire de surface suffisante pour éviter le poinçonnage du bloc cathodique). Un autre objet de la même invention est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de scellement, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte: - un moyen pour soulever le bloc cathodique grâce à des appuis situés au voisinage de chaque extrémité du bloc, - deux moyens identiques d'application de précontraintes latérales sur les extrémités des rebords latéraux des deux ailes du bloc, à chaque extrémité du bloc, - un moyen d'application de précontraintes verticales sur la face supé- rieure de la partie des ailes dans la partie centrale du bloc. Les précontraintes peuvent être exercées par tous moyens connus et nota ent par vérins (mécaniques, hydrauliques, pneumatiques, électriques) ou masses pesantes. DESCRIPTION DES FIGURES Les figures 1 à 10 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. 15. Les figures 1 et 2 montrent deux types de blocs cathodiques à 1 et 2 barres. La figure 3 indique les zones dans lesquelles se concentrent les contraintes lors du scellement et lors de l'application des précontraintes latérales. 20. Les figures 4A et 4B montrent les effets de l'application de pré- contraintes verticales sur la face supérieure du bloc, soit dans sa partie centrale, soit en deux points situés à environ 1/3 et 2/3 de la longueur. La figure 5 montre les zones d'apparition privilégiée des fissures. 25. Les figures 6 et 7 montrent, de façon schématique, les zones d'applica- tion des forces de précontraintes. Les figures 8, 9, 9A et 10 montrent, à titre d'exemple, un dispositif permettant de créer les forces de précontraintes. Dans tout ce qui suit, y compris dans les figures, on considérera les blocs cathodiques dans la position qu'ils occupent lors des opérations de scellement, c'est-à-dire avec la ou les rainure(s) de scellement des barres cathodiques tournée vers le haut, donc en position renversée par rapport à la position qu'ils occuperont lors du montage de la cathode de chaque cuve d'électrolyse, o l'ensemble des barres cathodiques est disposé sous les blocs carbonés. Les figures 1 et 2 montrent deux types de blocs cathodiques 1 avec, respectivement, une ou deux rainures de scellement 2. On appelle généra- lement "aile" du bloc cathodique la partie supérieure 3 située sur les deux grands c8tés 4 du parallélépipède que forme le bloc, au-dessus du niveau de la rainure de scellement 2, approximativement au-dessus de la ligne pointillée AA'. Sur la figure 1, on a représenté, également en traits interrompus, le contour de deux demi-barres cathodiques 5A et 5B, laissant entre elles un espace central 6 de quelques centimètres. Pour le scellement des barres (ou demi-barres), on prévoit des tampons d'obturation en laine de roche ou analogue, aux deux extrémités et dans l'espace 6 et on coule la fonte liquide provenant directement d'un four de fusion, après éventuellement préchauffage des barres et du bloc à une température pouvant atteindre 700 C par exemple. Après refroidissement, les blocs sont retournés de 180 de façon qu'au moment de la mise en place dans chaque cuve pour constituer la cathode, les barres métalliques soient disposées sous les blocs. Les principales fissures se forment à l'extrémité 7 de la rainure, ce sont les fissures 8 dites en "V", et, sur l'arête extérieure des ailes 3 généralement dans la partie centrale, ce sont les fissures dites "transversales" 9. Pour éviter la formation des fissures, qui apparaissent peu après le début du refroidissement de la fonte (généralement dans le quart d'heure qui suit la fin de coulée), on exerce simultanément sur les zones d'apparition des fissures des précontraintes de direction convenable et d'intensité suffisante. Ces précontraintes peuvent être appliquées soit à l'aide de vérin (de tous types), soit à l'aide de masses pesantes, soit par une combinaison des deux méthodes. Si l'on considère la figure 3, on constate que les ailes du bloc, au cours de cette opération, sont soumises à des forces antagonistes. D'une part, on sait que les contraintes FT dues aux effets thermiques au cours du scellement tendent à induire les fissures en V 8 par cisaillement (traction) dans la zone hachurée 8A. Mais la précontrainte F1 exercée à la partie supérieure de l'aile tend, au-delà d'un certain niveau à provoquer une rupture de l'aile, en traction, dans la zone hachurée 8B. Il est donc nécessaire d'ajuster très précisément la précontrainte F1, en fonction des caractéristiques mécaniques du carbone constituant le bloc, de façon telle qu'elle équilibre la contrainte de scellement qui tend à provoquer les fissures 8 tout en restant inférieure à la contrainte de rupture du matériau, en traction dans la zone 8B. En pratique, et pour des blocs carbonés de dimensions usuelles utilisés dans des cuves d'électrolyse de 150 à 200 KA, on applique au voisinage des extrémités latérales des ailes 3, aux points 10 au moyen de vérins, des forces F1 qui peuvent atteindre 100 à 200 daN. A titre d'exemple non limitatif, les blocs peuvent avoir une largeur de 500 mm, une hauteur de 450 mm, une longueur de 2400 mm, avec une rainure de 160 mm de largeur et de 155 mm de hauteur. Le point d'applica- tion 10 est, de préférence, situé dans le tiers supérieur de la hauteur de l'aile. La mise sous précontrainte est effectuée avant la coulée de la fonte, et elle est maintenue au moins 10 minutes après la fin de la coulée et, en pratique, pendant 10 à 30 minutes. Pour empêcher la formation des fissures transversales 9 sur les arêtes extérieures 11 des ailes 3, on peut exercer une force verticale F2 dirigée vers le haut, sous les deux extrémités des blocs 1 simultanément avec une poussée verticale F3, dirigée vers le bas, sur la partie centrale du bloc 1. Mais il est également possible et plus simple de poser les deux extrémités E des blocs 1 sur deux supports rigides 12 placés sous leurs extrémités et d'exercer uniquement la précontrainte F3 sur la face supérieure du bloc, soit en un point situé dans la partie centrale, soit en plusieurs points, par exemple en deux points situés approximativement au 1/3 et aux 2/3 de la longueur. La force F2 est alors constituée par la réaction des appuis rigides 12. L'exercice de cette précontrainte opposée A la fissuration transversale pose le même problème que pour les fissures en V. La figure 4A montre que si l'on exerce la précontrainte F3 sur les deux faces supérieures, de part et d'autre de la rainure centrale, on constate que le bloc est soumis à une pluralité de sollicitations mécanique (précontrainte F3 plus contraintes thermiques dues au scellement) en compression (zones marquées du signe -) et en traction (zones marquées du signe +), avec un maximum (indiqué par deux signes +) dans la partie basse située sous la rainure de scellement. Ces contraintes pourraient également conduire A la rupture du bloc si elles dépassaient la résistance A la rupture en traction du matériau carboné, qui se situe entre 2 et 5 HPa ( environ 20 à 50 kg/cm2). La figure 4B montre, par ailleurs, le niveau de précontrainte dans le bloc, selon que F3 s'exerce dans la partie centrale (courbe en trait plein, dite "en triangle") ou en deux points F3A,F3B, A environ 1/3 et aux 2/3 de la longueur L (courbe en traits interrompus, dite "en trapèze") . Dans le deuxième cas, la répartition de la précontrainte est plus homogène, et le risque de rupture du bloc à la mise sous précon- trainte est réduit, à condition que, come dans le cas des fissures en V, la précontrainte F3 soit calculée de façon à compenser les contraintes de scellement, sans dépasser la contrainte de rupture en traction du bloc. La figure 6 montre, en coupe longitudinale médiane, le dispositif de mise en oeuvre de l'invention. Le bloc 1 est amené, par le convoyeur à rouleaux 13 sur le poste de scellement o il est d'abord mis en appui sur les quatre rouleaux 14. Après mise en place des barres cathodiques 5A,5B, le bloc est soulevé de quelques millimètres, au moyen de l'ensemble articulé 15 muni, à ses extrémités, de deux rouleaux d'appui 16A, 16B. L'ensemble articulé 15 est constitué par un vérin 17 monté sur un point fixe 18, et qui exerce, d'une part une poussée sur le bras 19, articulé dans sa partie centrale en 20, et d'autre part une traction sur le bras triangulaire 21 articulé sur le point fixe 22. Sous cet effet, le rouleau 16A se soulève de quelques millimètres et, par l'intermédiaire de la bielle 23 et du second bras triangulaire 24 articulé sur le point fixe 25, le second rouleau 16B se soulève d'une hauteur sensiblement égale à celle du premier. Le bloc 1 n'est donc plus en appui que sur ces deux rouleaux 16A 16B. L'ensemble du mécanisme de soulèvement est intégré au convoyeur à rouleaux qui amène le bloc 1 sur le poste de scellement. On exerce alors sur le bloc 1 (à titre d'exemple non limitatif, et dans le cas d'un bloc de 450 x 500 x 2400 déjà évoqué): - 4 forces sensiblement égales F1, aux extrémités des ailes 3 (fig.4) sur les points 10. - 2 forces sensiblement égales F3 sur la partie supérieure centrale (C) de chaque aile extérieure 3, ou en variante, 4 forces sensiblement égales, F3A,F3B, au 1/3 et aux 2/3 de la longueur du bloc. Les 4 forces F1 sont exercées au moyen du dispositif schématisé sur la figure 9A. Un vérin 26 exerce simultanément sur deux bras rigides 27A, 27B, articulés au point 28 une poussée qui a pour effet d'exercer, symétriquement par l'intermédiaire des appuis 29A, 29B deux contraintes F1 sensiblement égales. Un de ces dispositifs est monté à une extrémité du bloc 1. Un second dispositif 30A identique 30B est placé à l'autre extrémité du bloc 1. Chacune des contraintes F1 est de l'ordre de 100 à 200 daN. Compte tenu de la nature du matériau constituant le bloc, il est évident que les forces doivent être appliquées par l'intermédiaire de plaques d'appui ayant une surface suffisante pour éviter tout risque de "poinçon- nage" du carbone. Cette observation s'applique également à la précontrainte verticale F3. La partie centrale du bloc 1 est soumise à l'action du système 31 de mise sous contrainte par masse pesante. Le dispositif 31 est constitué par un portique fixe 32 sur lequel s'arti- cule, en 33 un bras sensiblement horizontal 34. A son extrémité opposée à l'articulation d'axe horizontal 33, le bras 34 supporte une masse pesante , à une distance D1 de l'articulation 33. Il supporte également, sur une articulation intermédiaire 36 d'axe horizontal, situé à une distance D2 ( type de bloc carboné indiqué précédemment (500 x 450 x 2400 mm). En variante, les forces F3 peuvent être appliquées grâce à un vérin qui peut, par exemple, être connecté à un étrier identique ou analogue à l'étrier 37. Elles peuvent aussi, comme on l'a indiqué précédemment, être appliquées en deux points, situés à environ 1/3 et 2/3 de la longueur du bloc, au moyen de deux dispositifs 31 identiques. Après mise en application des précontraintes F1 et F3, on peut procéder, dans les conditions habituelles, à la coulée de fonte, tout en maintenant l'application de F1 et F3, pendant une durée au moins égale à quinze minutes, et de préférence comprise entre vingt et trente minutes après la fin de la coulée. Le cas échéant, le refroidissement du bloc peut être retardé par applica- tion de panneaux ou tissus en matériau calorifuge. La mise en oeuvre de l'invention a permis de supprimer de façon quasi totale l'apparition des fissures de scellement. Dans la construction récente d'une série nécessitant le scellement et la pose de plus de 5000 blocs cathodiques, on a noté 10 blocs fissurés, soit 0,2 %, alors que, précédemment, le taux moyen de fissuration pouvait atteindre, dans les plus mauvais cas, 5%. EVEmDIC&TIONS 1. Procédé de scellement d'au moins une barre cathodique métallique dans chaque rainure d'un bloc carboné parallélépipédique, destiné A constituer la cathode d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, le procédé consistant a couler de la fonte liquide dans l'espace libre entre chaque barre cathodique et chaque rainure du bloc carboné, le bloc étant, pendant le scellement, placé de façon que la rainure et les ailes soient tournées vers le haut, et mis sous précontrainte pendant la coulée de la fonte et pendant une durée au moins égale A dix minutes aprés la fin de la coulée, caractérisé en ce que, l'on applique les précontraintes d'une part au voisinage des deux extrémités du bloc, sur le rebord latéral des deux ailes (F1) et d'autre part en au moins un point sur la face supérieure des ailes du bloc (F3). 2. Procédé de scellement, selon revendication 1, caractérisé en ce que les précontraintes sont exercées par un moyen tel que vérin (mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique) ou masses pesantes. 3. Procédé de scellement, selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque précontrainte F1 a une valeur comprise entre 100 et 200 daN. 4. Procédé de scellement, selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque précontrainte F3 a une valeur comprise entre 1500 et 2500 daN. 5. Procédé de scellement, selon revendication 1, caractérisé en ce que, à chaque extrémité du bloc, les précontraintes F1 sont appliquées au moyen d'un seul vérin agissant sur deux biellettes articulées qui agissent, de façon sensiblement symétrique, sur le rebord latéral de chaque aile. 6. Procédé de scellement, selon revendication 1, caractérisé en ce que la précontrainte F3 est produite par une masse pesante disposée à l'extrémité d'un bras de levier, et s'applique, de façon sensiblement symétrique, sur la face supérieure des deux ailes. 7. Procédé de scellement, selon revendication 6, caractérisé en ce que la précontrainte F3 est appliquée dans la partie centrale du bloc. 8. Procédé de scellement, selon revendication 6, caractérisé en ce que la précontrainte F3 est appliquée sensiblement au 1/3 et aux 2/3 de la longueur du bloc. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de scellement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte - un moyen (15) pour soulever le bloc cathodique au moyen d'appuis situés au voisinage de chaque extrémité du bloc, - deux moyens identiques(30A 30B) d'application de contraintes latérales F1 sur les extrémités des rebords latéraux des deux ailes (3) du bloc, à chaque extrémité du bloc, - un moyen (31) d'application de contraintes verticales F3 sur la face supérieure de la partie des ailes dans la partie centrale du bloc. 10. Dispositif selon revendication 9, caractérisé en ce que le moyen (15) pour soulever le bloc cathodique comporte deux rouleaux (16A)(16B), écartés d'une distance légèrement inférieure à la longueur du bloc, chaque rouleau étant relié à un bras triangulaire (21)(24), articulé sur un point fixe (22)(25), la rotation de chaque bras autour de ce point fixe étant commandée par un vérin à double effet (17). 11. Dispositif, selon revendication 9, caractérisé en ce que le moyen pour appliquer les contraintes latérales F1 est constitué par un vérin (26) relié à l'une des extrémités de deux bras rigides (27A)(27B) articu- lés sur un point fixe comun (28) et dont l'autre extrémité (29A)(29B) est en appui sur les rebords extérieurs des ailes du bloc. 12. Dispositif selon revendication 9, caractérisé en ce que le moyen pour appliquer les contraintes verticales F3 sur la face supérieure du bloc comporte une masse (35) suspendue à l'extrémité d'un bras (34) sensiblement horizontal dont l'autre extrémité est articulée sur un du bloc comporte une masse (35) suspendue 1l'extrémité d'un bras (34) sensiblement horizontal dont l'autre extrémité est articulée sur un point fixe (33) et qui supporte en un point intermédiaire (36) un étrier (37) muni à sa partie inférieure de deux blocs d'appui (38A)(38B).