Brevet FR2599051A1 — publié le 19871127

La présente invention se rapporte à la fabrication de l'aluminium par électrolyse d'un bain de cryolithe et d'alumine. Elle concerne l'entretien du dispositif anodique, et notamment les procédés de traitement des tiges d'anode lors de leur replacement au cours de l'élaboration de l'aluminium. Pour l'élaboration de l'aluminium par électrolyse, on utilise une cuve d'électrolyse, constituée par un caisson garni de matériaux carbones, dans lequel se trouve le métal et le bain, et par une anode continue de charbon a autocuisson. Le courant Xlectri- que arrive a l'anode par des tibes d'amenée de courant et des tiges d'anode acier-aluminium ; la sortie du courant s'effectue a la base de la cuve, qui fait office de cathode, par l'intermédiaire de barres d'acier. Les tiges aciEr-aluminium d'amenée de courant sont cuites dans la masse de l'anode et disposées, en règle gé nérale, à deux niveaux ; l'un supérieur, l'autre inférieur. Au fur et à mesure que l'electrode se consume pendant 11 électrolyse, realisée a une température de 950 à 9650C, la distance entre les extrémités des tiges de niveau inférieur et la semelle de l'anode diminue, et, à un certain moment, lesdites tiges doivent être extraites et replacées a un niveau plus élevé. Dans le cas contraire, ces tiges peuvent etre affectées par des brasures, et la probabilité de coulée de la pâte d'anode fluide dans le bain et d'autres effets nuisibles s'accroissent.Les brûlures des tiges entraînent une altération de la qualité de l'aluminium élaboré. Ltar- rivée de pate d'anode fluide dans le bain fait monter se température, ce qui trouble la marche de l'électro- lyse. Afin que cela ne puisse se produire, les tiges d'anodes sont replacées à un niveau supérieur Toutefois, les tiges extraites ne peuvent être directement (immédiatement) placées à un niveau supérieur, car la température de leur partie inférieure est élevée et peut atteindre 7000C, aussi la pAte d'anode fluide pourrait-elle être excessivement chauffée et s'enflammer. Pour cette raison, les tiges extraites doivent être refroidies.Après extraction d'une tige d'anode de l'anode, le trou formé par cette tige est noye par la pate d'anode fluide, qui y est cuite, en formant une zone dite l'anode secondaire. Comme la cuisson de la pâte d'anode venant noyer le trou s'effectue dans la zone des hautes températures (500 à 7000 C) et à grande vitesse, les propriétés de l'anode secondaire sont inférieures a celle de l'anode principale. I1 en resulte que, dans les zones de l'anode secondaire, la matière de l'anode s'oxyde et s'effrite plus intensi- vement pendant l'électrolyse, d'où des pertes suppl6- mentaires de matière d'anode. Au moment de leur déplacement, les tiges acier-aluminium extraites de l'anode sont placées dans des cassettes spéciales, dans lesquelles elles se refroidissent a l'air pendant 5 a 10 heures. Pendant le refroidissement, la partie inférieure des tiges portée a une température de 300 a 7000C est intensivement oxydée par l'oxygène de l'air. QUand les tiges sont remises en place dans l'anode, la calamine formee sur la surface de leur partie inférieure altère le contact électrique entre le métal des tiges et l'anode. Ceci augmente la résistance du contact tigeanode et entraîne donc une dépense inutile supplémentaire d'énergie électrique.En outre, quand les tiges se refroidissent dans la cassette, la pâte d'anode fluide restée sur elles s'écoule vers le bas, arrive sur la partie inférieure des tiges où elle est réchauffée jusqu'à une température à laquelle se produit une émission de substances goudronneuses cancérigènes, nuisibles à la santé du personnel sur place. Cette émis- sion de substances nuisibles a lieu tant que la température des tiges en refroidissement n'atteint pas 80 a 1000C. Comme indiqué plus haut, lors du refroidisse ment des tiges extraites de l'anode, il se forme sur la surface de leur partie inférieure de la calamine, qui augmente la résistance électrique du contact tige-anode quand les tiges sont remises en place dans l'anode. Afin d'exclure ce phénomène, les tiges sont soumises a un traitement d'élimination du film d'oxydes et de la calamine, exécuté à la main à l'aide de brosses métalliques ou par un autre procédé de décapage mécanique. On connalt des procédés de traitement des métaux pour l'élimination des produits de corrosion et des composés oxydés à l'aide d'outils de coupe, de fraises, de meules, de brosses métalliques tournantes, de mécanismes de grenaillage et de sablage, ainsi qu'aux ultrasons. Les procédés indiqués permettent de débarrasser les surfaces métalliques de la rouille, des calamines de diverse nature, des produits de corrosion. Toutefois, leur réalisation implique un engagement supplémentaire de main-d'oeuvre, des équipements speciaux à fort engagement de métaux, un personnel nombreux et des dépenses supplémentaires d'énergie électrique. Le traitement des surfaces métalliques par ultrasons pour les débarrasser de la calamine, des films d'oxydes et d'autres dépits permet de réaliser un bon décapage, mais sa réalisation technologique est compliquée et requiert de grandes dépenses matérielles (brevet de Grande-Bretagne NO 946 863, cl. C7B). On connaît un procédé de traitement des tiges d'anodes utilises dans l'élaboration de l'aluminium par électrolyse dans des cuves à amenée de courant supérieure (certificat d'auteur d'invention d'U.R.S.S. NO 345 234, Int. Cl. C 22 D 3/02). Suivant ce procédé, à la reprise des tiges d'anode, on extrait de l'anode, à l'aide d'un pont roulant, les tiges de niveau inférieur, et on les range dans une cassette pour leur refroidissement et le stockage à l'air. Com me la partie inférieure des tiges extraites de l'anode est portée à une température dans la plage de 300 a 7000 C, durant leur refroidissement ladite partie est intensivement oxydée par l'oxygène de l'air avec formation de calamine.Dans le même temps, la pâte d'anode fluide restée sur la surface des tiges d'anode s'é- coule sur la partie inférieure des tiges où elle s'échauffe jusqu'S une température provoquant l'émission de substances cancérigènes, qui altèrent l'état sanitaire de l'atmosphère ambiante. Quand les tiges d'anode se sont refroidies jusqu'à la température ambiante, elles sont transférées à une autre section, où elles sont ddbarrassées des coulures de pate d'anode fluide, ainsi que de la calamine et des pellicules de corros-ion formés pendant leur refroidissement. L'installation de décalaminage comprend une enceinte de décapage, un plateau tournant avec son entraînement, des appareils de grenaillage, un Bléva- teur, un--séparateur de grenaille, un mécanisme de retournement des tiges, des cassettes tournantes-et une brosse. Un tel équipement requiert une grande quantité de métaux, et il est coûteux et encombrant. Le traitement des tiges d'anode dans cette installation est un processus assez compliqué et il est la cause de l'usure accélérée des tiges, résultant de la forte abrasion de leur surface par la grenaille métallique. Après décapage, les tiges sont transférées dans la pince d'électrolyse en vue de leur réutilisation lors du replacement des tiges. Il peut alors se produire que les tiges extraites de l'anode de l'une des cuves d'électrolyse soient mises en place dans l'anode d'une autre cuve. En d'autres termes, les tiges extraites n'ont pas une place assignée dans une anode déterminée, mais peuvent se trouver dans l'une quelconque des anodes de toutes les cuves de la pièce.Etant donné qu'une tige extraite peut être remplacée par une autre tige quelconque se trouvant dans la cassette, il peut arriver que la mise en place de la tige prise dans la cassette au niveau requis se heurte a des difficultés. Ces dif ficultés s'expliquent par le fait que, par suite de la grande usure de la tige extraite au cours de son utilisation, son diamètre peut être plus petit que celui d'une tige neuve.La tige de grand diamètre mise en place dans l'anode n'assure pas le contact voulu entre elle et l'anode, d'où une chute de tension supplémentaire, c'est-à-dire un surplus inutile de consommation d'énergie, De la sorte, le procédé indiqué de traitement des tiges d'anode implique de fortes dépenses matérielles, altère les conditions sanitaires du travail, ne permet pas la remise de la tige extraite à sa propre place dans l'anode et occasionne des depenses énergie supplémentaires. Le but de l'invention est d'élaborer un procédé de traitement des tiges d'anode lors de leur replacement au cours de l'élaboration de l'aluminium par électrolyse, qui permettrait d'abaisser les dépenses matériélles et d'énergie, ainsi que d'améliorer les conditions sanitaires de travail du personnel en place. La solution consiste en un procédé de traitement des tiges d'anode lors de leur replacement au cours de l'élaboration de l'aluminium par électrolyse, comprenant l'extraction des tiges de niveau inférieur de l'anode, leur refroidissement et leur remise en place dans l'anode au niveau supérieur, caractérisé selon l'invention en ce que les tiges sont refroidies par un agent liquide. L'agent liquide peut être l'eau, des solutions aqueuses de substances inhibitrices, par exemple de composés borés, des suspensions aqueuses de fines de cokes, de graphite, de poudres d'aluminium, de nonr de carbone, des émulsions aqueuses de matières organiques utilisées dans la fabrication du filmachine d'aluminium, des mélanges desdites suspensions et émulsions, ainsi que tout autre agent liquide ne s'enflammant pas aux températures dans la plage de 300 à fQOOC. L'invention permet - de réduire notablement la duré de refroidissement des tiges d'anode ; - de supprimer la formation de calamine à la surface des tiges ; - d'abaisser la consommation d'énergie électrique par tonne d'aluminium élaboré de 40 a 60 kWh ; - d'augmenter la durée de service des tiges d'anode de 15 à 20 % - de réduire de 20 a 40 % les émissions dans l'atmosphère de substances nuisibles a la santé ; - de réduire le nombre de tiges d'anode de réserve ; - d'abaisser l'engagement de métaux et de main- d'oeuvre pour le replacement des tiges. Les avantages indiquées et autres de l'invention sont mis en évidence et rendus compréhensibles par la description détaillée ci-après de l'invention. Comme indiqué plus haut, le procédé de traitement des tiges d'anode concerne l'entretien du dispositif anodique des cuves d'électrolyse produisant l'aluminium par électrolyse d'un bain de cryolithe et d'alumine. Dans la cuve, l'anode est un bloc continu de charbon à autocuisson, et la cathode, la base de la cuve proprement dite avec l'aluminium fondu. L'anode de charbon se compose de 3 zones une zone supérieure, constituée par la pâte liquide fondue, une zone intermédiaire où la patte d'anode est semi-cuite, une zone inférieure, constituée par un bloc monolithique de pâte d'anode cuite. L'entre tien du dispositif anodique de la cuve d'électrolyse prévoit le replacement des tiges acier-aluminium d'anode, cuites dans la masse de l'anode. Le replacement desdites tiges dans tout le bloc d'anode s'effectue, en règle générale, a deux niveaux ; l'un su périeur, l'autre inférieur. Le courant électrique arrive à l'anode a travers ces tiges. Les extrémités des tiges'de niveau inférieur se trouvent a une distance de la semelle de l'anode assurant la marche normale de l'électrolyse.L'électrolyse est réalisée avec une température du bain de cryolithe et d'alumine comprise entre 950 et 9650C. Au fur et a mesure du déroulement des processus électrochimiques a l'anode et à la cathode, l'anode de charbon se consumme et la distance entre les extrémités des tiges de niveau inférieur et la semelle de l'anode devient plus petite que la valeur admissible. Il s'ensuit un accroissement de la probabilité de coulée de la pâte d'anode fluide dans le bain et de brûlure des extré- mités inférieures des tiges de niveau inférieur. Ceci troublerait la marche de l'électrolyse Quand la distance entre les extrémités des tiges de niveau inférieur et la semelle de l'anode atteint la valeur minimale admissible, conformément à la methode, les tiges de niveau inférieur sont replacées au niveau supérieur.Comme la partie inférieure des tiges est portée à une température de 300 à 7000 C, les tiges ne peuvent être mises immédiatement en place au niveau supérieur, car il s'ensuivrait l'inflammation de la pâte d'anode fluide. En outre, les trous restant après la remontee des tiges ne seraient pas remplie par la pate d'anode fluide. Il en résulte rait le dérangement du monolithisme de l'anode C'est pourquoi les tiges d'anode du niveau inférieur sont extraites successivement de l'anode et refroi dies. D'après l'invention, les tiges extraites sont refroidies dans un agent liquide. Par terme agent liquide, il convient d'entrendre tout liquide doué de la propriété de ne pas s-'enflammer à une température dans la plage de 300 a 7000C. Le choix de la température dans la plage indiquée est dicté par le fait que la température de la partie inférieure des tiges extraites se situe justement entre ces valeurs. L'agent liquide peut être l'eau, des solutions aqueuses d'inhibiteurs de la pate d'anode, des suspensions aqueuses de fines de coke, de graphite, de noir de carbone, de poudre d'aluminium, des émulsions aqueuses de matières organiques, employées dans la fabrication du fil-machine d'aluminium et dans les fonderies-lamineries, ainsi qu'en construction mécanique. En outre, l'agent liquide utilisé peut être l'eau additionnée d'huiles organiques, par exemple d'huile pour transformateurs. Le refroidissement des tiges est réalisé en les plongeant dans un récipient rempli d'agent liquide. La profondeur d'immersion est choisie de valeur telle que la partie supérieure de la tige soit au-dessus de la surface de l'agent liquide, pour que la prise de la tige par l'appareil de le vage soit commode. Le temps de séjourde la tige dans l'agent liquide doit être suffisant pour abaisser la température de la tige jusque une valeur inférieure ou égale à 20006. Dans la pratique, ce temps est d'ordinaire de 2 a 4 minutes. te volume du récipient pour l'agent liquide est choisi de valeur telle que l'ébullition de l'agent liquide ne puisse se produire pendant le cycle de replacement des tiges. Lors du refroidissement rapide de la tige, la pâte d'anode fluide restée sur elle se fige et durcit rapidement. Il en résulte la suppression des émissions de substances cancérigènes dans l'environnement. Ceci constitue l'un des avantages importants de l'invention. A l'issue du temps de refroidissement, la tige d'anode est extraite par l'appareil de levage et remise a sa propre place au niveau supérieur. La description fait apparaître que le procédé décrit de refroidissement des tiges lors de leur replacement est simple, que l'agent liquide employé est bon marché et accessible. Le procédé faisant l'objet de l'invention exclut la formation de calamine, aussi l'opération de décalaminage se trouve-t-elle supprimée. La surface active de la-tige n'est pas soumise a des actions mécaniques supplé- mentaires, aussi s'use-t-elle moins vite. Tout cela se traduit par une augmentation de la durée de service des tiges de 15 à 20 %. La réalisation du procédé de refroidissement ne requiert pas de dépenses supplémentaires de main-d'oeuvre, de ressources matérielles, d'énergie et abaisse les nuisances. Après l'extraction d'une tige, le trou qu'elle a formé est rempli par la pâte d'anode fluide coulant vers le bas. Cette pâte est cuite dans ce trou et y constitue l'anode dite secondaire. Comme la pâte d'anode fluide noyant le trou arrive dans la zone des hautes températures, sa cuisson est rapide, aussi ses caractéristiques physico-mécaniques sont-elles peu élevées et le cèdent-elles notablement aux caractéristiques de la matière de l'anode principale. En d'autres termes, l'anode secondaire a des propriétés physico-mécaniques bien plus basses que celles de l'anode principale et sa qualité est nettement inférieure. Pour améliorer la qualité de l'anode secondaire, il est recommandé d'utiliser, d'après l'invention, en tant agent liquide pour le refroidissement des tiges, une solution aqueuse de composés borés, par exemple d'acide borique ou de sels de bore.Lors du traitement de la tige par un tel agent liquide, il se forme à sa surface un dépôt d'oxyde de bore, qui exerce un effet inhibiteur sur le carbone de l'anode secondaire. Il en résulte une élévation des caractéristiques physico-mécaniques de l'anode secondaire. L'effritement et la destruction de l'anode secondaire se trouvent atténués et, par conséquent, les pertes de matières d'anode s'abaissent. Lors du replacement des tiges, après refroidissement, chacune d'elle se remet facilement en direct à sa propre place, mais au niveau supérieur. Ceci est devenu possible grâce à son refroidissement rapide, en 2 a 4 min. La remise de la tl- ge d'anode à sa propre place après refroidissement assure un contact fiable entre elle et l'anode, car le diamètre de la tige mise en place correspond au diamètre du trou. Par ailleurs, il en résulte une exécution bien plus rapide des travaux de maintenance. Le contact fiable entre les tiges mises en place et l'anode améliore la distribution du courant dans tout le bloc de l'anode et abaisse la consommation d'énergie électrique de 40 à 60 kWh/t d'a aluminium. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet de réduire de 90 % le nombre de tiges en réserve, nécessaire au replacement. La réduction du nombre de tiges en réserve supprime la nécessité d'avoir un équipement à grande quantité de métal pour leur stockage. Si l'on prend en considération que le poids d'une tige est d'env- ron 200 kg, on comprend que l'équipement pour leur stockage est encombrant et requiert la mise en oeuvre d'une grande quantité de métal. De la sorte, le procédé de traitement des tiges d'anode conforme à l'invention est économique ment aVantageUx comparativement aux procédés connus. Pour une meilleure compréhension de 11in- vention, on donne ci-après des exemples de réalisa- tion concrète du procédé. EXEMPLE 1 A l'aide du pont roulant, on extrait de l'anode deux tiges du niveau inférieur, que l'on introduit dans un récipient d'un volume de 6m3, remplie d'eau. Ce récipient est un réservoir dans le couvercle duquel sont pratiqués des orifices ronds pour l'introduction des tiges. Les tiges d'anodes y sont mises en position verticale. La profondeur d immersion est choisie de valeur telle que la partie supérieure de la tige dépasse au-dessus du couvercle pour rendre aisée sa prise par le pont roulant. Etant plongée dans l'eau, la partie inférieure des tiges, portée a une température se situant entre 300 et 7000C, se refroidit vite. Le refroidissement est réalisé jusqu'a ce que la température atteigne une valeur inférieure ou égale a 2000C. Pour cela, les tiges sont tenues dans l'eau pendant 2 à 5 minutes. Le refroidissement de la tige par l'eau engendre des contraintes thermiques sous l'effet desquelles les oxydes éventuellement formés et les adhérences figées de pâte d'anode se detachent et se déposent au fond du récipient. Il en résulte un décapage de la surface de la tige. Le refroidissement des tiges dans l'eau prévient la formation de calamine à leur surface. En outre, le refroidissement rapide de la tige provoque le figeage de la pâte d'anode fluide restée sur sa partie supérieure et prévient donc les émissions de substances cancérigènes dans l'atmosphère. Ceci améliore les conditions sanitaires du travail. A l'issue du temps de refroidissement d'une tige, la première tige est extraite du réci pient rempli et remise dans l'anode a sa propre place, mais au niveau supérieur. Ceci fait, on extrait de l'anode la troisième tige venant dans l'ordre du niveau inférieur, et on l'introduit dans le récipient rempli d'eau, a travers l'orifice où se trouvait la première tige. Ensuite, on extrait du récipient rempli d'eau la seconde tige refroidie et, de la même manière, on la remet dans 11 anode à sa propre place, mais au niveau supérieur. Puis, on extrait de l'anode la quatrième tige, que l'on introduit de même dans le récipient rempli d'eau pour le refroidissement.La troisième tige refroidie est remise en place dans l'anode, et ainsi de suite jus qu'a ce que le cycle de replacement des tiges d'anode soit terminé dans tout le bloc d'anode. Toutes les tiges d'anodes sont traitées comme décrit ci-dessus. Le bon contact des tiges avec l'anode résultant de leur traitement et de la remise de chacune d'elle a sa propre place abaisse la consommation d'énergie électrique pour l'électrolyse de 40 kWh/t d'aluminium. La réalisation du procédé implique pas de grosses dépenses matérielles. La quantité de composés goudronneux émis dans l'at mosphère lors du replacement des tiges est abaissée de 30 %. La durée de service des tiges d'anode augmente de 20 %. Il devient inutile d'avoir dans chaque pièce d'électrolyse des tiges en réserve (100 à 200 pour les méthodes existantes). EXMPLE 2 La séquence des opérations de replacement et de traitement des tiges d'anode s'effectue de même qu'a l'exemple 1, mais l'agent utilisé pour le refroidissement des tiges est une solution aqueuse sature d'acide borique. Les tiges sont refroidies dans cette solution jusqu'a une température de 150 a 1700C. Le temps de refroidissement est de 3 à 4 min. Après refroidissement de la tige d'anode dans la solution aqueuse saturée d'acide borique, sa partie inférieure se trouve recouverte d'oxyde de bore. Quand la tige refroidie est remise en place dans l'anode au niveau supérieur, l'oxyde de bore recouvrant sa surface réagit avec la pdte d'anode fluide ayant noyé la zone de l'anode secondaire et exerce un effet inhibiteur sur le carbone de l'anode secondaire. Il en résulte une amélioration des propriétés physicomécaniques de anode secondaire. Ceci s'explique par le fait qu'en présence d'oxyde de bore les vitesses de combustion du coke du liant et du coke de la charge de la pête d'anode s'égalisent, d'où un ralentissement de la destruction de l'anode secondaire. La profondeur des cratères a la base de l'anode devient in- férieure a 1 ou 2 cm. La consommation de pète d'anode est abaissée de 2 à 3 kg par tonne d'aluminium, gracie à l'amélioration de la qualité de l'anode secondaire. EXEMPLE 3 La séquence des opérations de replacement et de traitement des tiges d'anode s'effectue de même qu'à l'exemple 1 mais, pour le refroidissement des tiges, on utilise de l'eau a la surface de laquelle on verse une couche d'huile pour transformateurs usée. Cette couche d'huile empêche le liquide de s'évaporer et prévient ainsi le dégagement éventuel de vapeur. Etant donné qu'a la fin du cycle de replacement, la température de l'eau peut atteindre 70 à 900C, de la vapeur pourrait se former au-dessus de la surface du récipient, ce qui altérerait la visibilité pour l'agent exécutant le replacement des tiges d'anode. La couche d'huile pour transformateurs recouvrant l'eau prévient le dégagement de vapeurs et améliore les conditions de travail du personnel en place. EXEMPLE 4 La séquence-des opérations de replacement et de traitement des tiges d'anode s'effectue de même qu'à l'exemple 1 mais, pour le refroidissement des tiges, on utilise une émulsion aqueuse de matières organiques, employée pour le refroidissement des cylindres de laminoirs dans la fabrication du fil-machine en aluminium. Vu que ladite émulsion est douée d'une grande capacité calorifique, la vitesse de refroidissement des tiges se trouve abaissée de 0,5 mi nutes et s'élève à 1,5-4,5 minutes. L'utilisation d'une émulsion aqueuse de matières organiques intensifie le processus de refroidissement des tiges. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement des tiges d'anode lors de leur replacement au cours de l'élaboration de l'aluminium par électrolyse, comprenant l'extraction des tiges de niveau inférieur de l'anode, leur refroidissement et leur remise en place dans l'anode au niveau supérieur, caractérisé en ce que les tiges sont refroidies par un agent liquide. 2. Procédé selon la revendication 1, carac terse en ce que les tiges sont refroidies jusqu'a une température ne dépassant pas 2000C. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent liquide utilisé est l'eau. 4. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent liquide utilisé est une solution aqueuse de composés bores. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications l a 4, caractérisé en ce que le refroidissement des tiges par l'agent liquide est réalisé en les plongeant dans cet agent.