Brevet FR2612099A1 — publié le 19880916

DISPOSITIF DE COULEE PAN ASPIRATION DE L'ALUMINIUM PRODUIT DANS LES CUVES D'ELECTROLYSE HALL-HEROULT DOMAINE TECHNIQUE DE L' IBINTION La présente invention concerne un dispositif de coulée rapide, par aspiration, de l'aluminium produit dans les cuves Hall-Héroult par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue. ITAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE A l'heure actuelle, le procédé quasi-universel pour récupérer l'aluminium produit dans les cuves d'électrolyse Hall-Héroult consiste à amener au voisinage de la cuve concernée une poche en acier étanche, munie extérieurement à sa partie supérieure, d'un tube d'aspiration dont la longueur est ajustée pour qu'il pénètre au travers de la croûte d'électrolyse figé qui recouvre la cuve, jusqu'au niveau de la nappe d'aluminium liquide qui recouvre la cathode carbonée. On raccorde la poche au moyen d'un tube flexible, à une prise de vide, elle-même raccordée à une installation centrale de pompage, et on crée progressivement une dépression dans la poche1 ce qui entratne l'ascension de l'Al liquide (qui est à environ 9500C dans la cuve) et sa coulée dans la poche.Pendant ce temps, le système de régulation de la cuve abaisse les anodes, de façon que la distance anode-cathode soit ramenée à la valeur de consigne. La position de l'extrémité du tube d'aspiration au sein de la nappe d'AI liquide est déterminée de façon à aspirer une hauteur prédéterminée d'Al, par exemple 100 à 200 mm, et à laisser sur la cathode une certaine épaisseur d'Al liquide, par exemple 150 à 200 mm, pour assurer un volant thermique suffisant. Cette opération est répétée périodiquement sur chaque cuve d'une série qui peut en comporter de une à plusieurs centaines,la périodicité pouvant aller de 1 à 4 jours selon les types de cuves. IlcoeFVINIINTS DE L'ART ANTERIEUR A moins de disposer d'une installation de pompage démesurée, la mise en dépression de la poche de coulée est une opération relativement longue. La phase d'amorçage, c'est-à-dire le temps qui s'écoule entre le début de la mise sous vide et l'arrivée du métal dans la poche a une durée qui est fonction - des caractéristiques du système de pompage, - du volume libre de la poche (VL), - de la hauteur manométrique (HM) d'ascension de l'Al liquide jusqu'au sommet du tube, à l'endroit où il abouche dans la poche, - de la température de l'air dans la poche (le cas le plus dkfavorable étant celui d'une poche froide), - des fuites éyentuelles dans les divers points et raccords. Ily a intérêt à ce que cette phase d'amorçage soit aussi brève que possible, car - elle représente un temps perdu pendant lequel aucune quantité d'Al ne pénètre dans la poche, - le tube plongeur se détériore et pollue l'Al (par mise en solution de fer), - il y a risque de solidification de l'Al dans le tube, la vitesse ascensionnelle étant très faible. Une durée excessive de la phase de coulée proprement dite présente également des inconvénients - détériotation du tube plongeur, - immobilisation du matériel et du personnel. OBJET DE L'INVENTION La présente invention a pour but de réduire de façon importante la durée de la phase d'amorçage, ainsi que celle de la phase de coulée et de supprimer d'autres inconvénients comme la nécessité d'installer un réseau de pompage dans les salles d'électrolyse, avec des raccordements par tubes flexibles relativement fragiles et gênants pour certains mouvements. Le dispositif, objet de l'invention, se caractérise en ce que la poche dans laquelle l'aluminium est aspiré par dépression est munie d'un couvercle amovible comportant un orifice sur lequel est connecté un ensemble de pompage comportant de l'amont (côté couvercle) vers l'aval - une dérivation sur l'orifice, un moyen de mesure et de régulation de la dépression dans la poche, - en série avec l'orifice un circuit de refroidissement des gaz pompés dans la poche, - en dérivation sur l'extrémité aval du circuit de refroidissement un moyen d'introduction contrôlée d'air extérieur et une vanne de mise en communication avec l'air extérieur, - en série avec ltextrémité aval du circuit de refroidissement une vanne d'isolation, reliée à une pompe d'aspiration entrainée par un moteur électrique, et en ce que le tube d'aspiration est muni, dans sa partie supérieure, d'une vanne d'isolation. DESCRIPTION DES FIGURES Les figures 1 à 5 illustrent l'invention. ta figure 1 rappelle en coupe, et de façon très schématisée, Les principaux éléments de l'opération de coulée. Dans la cuve d'électrolyse, on a figuré uniquement le substrat cathodique carboné (1), la nappe d'AI liquide a) la nappe permanente que l'on laisse subsister (2A) et b) la partie qui est récupérée par aspiration périodique (2B), ltélectrolyte (3). cryolithe fondue + alumine, la croûte d'électrolyte figé (4) au travers de laquelle, par l'orifice (5), pénètre le tube d'aspiration (6) qui se raccorde latéralement à la partie supérieure de la poche (7) munie d'un couvercle (8) étanche et, de préférence amovible. Le tube (6) peut également se raccorder sur le couvercle (8), ce qui a l'avantage de faciliter la manipulation des poches vides ou remplies d'aluminium fondu.Le tube (6) peut, par ailleurs, etre constitué en deux parties réunies en reptation étanche mais démontable de façon à permettre l'échange de la partie inférieure (6A) qui pénètre dans la cuve d'électrolyte et dont l'usure est plus rapide. On note que le niveau de la dalle (9) de l'atelier d'électrolyse est supérieur au niveau de la nappe d'Al liquide (2) dans la cuve. Cette disposition est fréquente, mais pas obligatoire, et lå mise en oeuvre de l'invention n'est pas influencée de façon significative par la position relative de la dalle (9) et de la nappe d'Al liquide (2). Le tube d'aspiration (6) fait, avec le plan horizontal un angleNinférieur à 900, par exemple entre 40 et 600. La hauteur d'ascension de l'Al liquide jusqu'au sommet du tube est notée h. La longueur réelle du tube L est donc égale à h/sm . EN est la hauteur barométrique comme on l'a indiqué précédemment. La poche comporte en outre, à la partie supérieure du tube (6) une vanne d'arrêt (10) dont le rôle sera précisé un peu plus loin. Pour qu'il y ait débit d'Al liquide vers la poche1 il faut que Dpp > DppA, DppA étant la pression d'amorçage, avec DppA = EN x 2.3 (densité de l'Al liquide à env.900 C) Dpp étant la dépression dans la poche. Le débit de métal est donné avec une précision suffisante par la formule Q étant le débit du métal en Kg/minute K une constante S la section du tube (6) en dm2 6 Dpp - Dpp - DppA hm - h - f f étant la hauteur de la nappe permanente d'Al, repère 2A de la fig.l L - h/sm &alpha;. A titre d'exemple purement illustratif, pour r Dpp lini - 2200 mm S - 0,5 0 > 5 dm2 L - 2700 mm 550, on peut espérer un débit maximal de l'ordre de 2 tonnes par minute. Le débit maximal est essentiellement limité par le risque d'aspirer de l'électrolyte. Selon l'invention, l'ensemble du générateur de dépression est disposé sur le couvercle (8) de la poche (7). Pour la clarté du dessin, on a représenté l'ensemble des organes disposés linéairement, alors qu'ils sont, en fait, groupés sur le couvercle comme cela apparait sur la figure 2. A partir de l'orifice (11) disposé sur le couvercle, on trouve, de l'amont vers l'aval - en dérivation sur (11) : un vacuomètre (12) et un vacuostat (25) de régulation de la dépression - en série avec (11) un serpentin de refroidissement (13) en alliage bon conducteur de la chaleur, de préférence en cuivre ou alliage à base de cuivre, qui permet de refroidir l'air pompé dans la poche (7) avant de l'envoyer vers les filtres et vers la pompe.Ce serpentin peut, si nécessaire, être muni d'ailettes pour augmenter la surface de refroidissement et/ou d'un ventilateur pour accélérer les échanges thermiques - en dérivation avec la sortie aval du serpentin : une électrovanne de compression (14), une électrovanne de régulation (15) et un pressostat (16) dont les fonctions sont les suivantes : la vanne (14) permet en fin de coulée, de "casser"-le vide, c'est--dire de faire entrer de l'air extérieur dans la poche (7) pour la ramener à la pression atmosphérique. Le pressostat (16) mesure la dépression et la régule à une valeur de consigne. Lorsque la dépression dépasse la valeur de consigne, il commande l'ouverture de I'électrovanne (15) qui admet de l'air extérieur jusqu'à ce que la valeur de consigne soit retrouvée.Cette entrée d'air extérieur, en aval du serpentin, contribue à refroidir par dilution les gaz chauds pompés dans la cuve - en série avec la sortie aval du serpentin un filtre à manches (17), calculé pour résister à une dépression d'au moins 850 hPa (hectoPascals, équivalent à millibars), à une température de 900C et ayant une surface de filtration de 6 m2 (valeurs données à titre purement indicatif). Ce filtre est secoué mjcaniquement pendant 30 secondes après chaque arrêt de pompe et il est muni, à sa partie inférieure, d'une trappe de nettoyage, une vanne de mise sous vide (18).Cette vanne est, par exemple, du type à boisseau sphérique le cas échéant, un filtre de sécurité supplémentaire (19) disposé à l'entrée de la pompe La pompe à vide (20) et son moteur d'entrainement (21). On a adopté, pour une réalisation industrielle, une pompe à palettes d'un débit de 500 m3.h~l, assurant une dépression relative de 600 hPa (soit env. 400 hPa de dépression absolue) entrainée par un moteur de 11 KVA. La dépression maximale relative peut être augmentée, si nécessaire, jusqu'à 750 hPa. Enfin, selon la pratique industrielle courante, le couvercle (8) et la poche (7) sont munis de moyens de manutention, tels que les anneaux (22) sur le couvercle, les tourillons (23) et l'anneau (24) sur la poche (7). Un point important du système réside dans le système de refroidissement de l'air aspiré dans la poche. En effet, sa température maximale peut atteindre 3000C et il est très chargé en alumine; il peut aussi contenir de petites quantités de composés fluorés. I1 faut donc refroidir cet air, à environ 800C au moins, avant de l'envoyer dans les filtres et dans la pompe. Pour cela a) dans la phase initiale, tant que l'on n'a pas atteint la dépression de consigne ( r'J 600 hPa relatifs), le refroidissement de l'air est assuré uniquement par le serpentin (13) b) pendant la phase de coulée proprement dite, de l'air extérieur est injecté par l'électrovanne (15) ce qui a pour effet de diluer l'air et les gaz pompés dans la poche (7).En effet, le vide limite que la pompe est capable de fournir est supérieur à la valeur de consigne de la dépression nécessaire pour la coulée. Plutôt que d'arrêter le pompage lorsque cette valeur de consigne est atteinte, il est préférable d'introduire par l'électro-vanne, un débit d'air extérieur qui dilue les gaz pompés et évite d'envoyer vers les filtres et la pompe, des gaz une température excessive. Un perfectionnement particulièrement avantageux consiste à mesurer la température des gaz dans le circuit de pompage, par exemple à l'entrée du filtre, et régler le débit d'air extérieur admis par l'électrovanne (15) de façon à maintenir la température du flux gazeux (mélange d'air extérieur et d'air et gaz provenant de la poche) .inffiQure - à une valeur maximale de consigne. On assure ainsi une protection efficace des éléments filtrants, des vannes aval et de la pompe. c) Pendant la phase finale (coulée terminée, remise de la poche (7) à la pression atmosphérique), l'air extérieur entre par l'électrovanne (14) et traverse le serpentin (13) en sens inverse, et le refroidit sensiblement, ce qui est très avantageux pour la coulée suivante. La procédure de coulée, selon l'invention, est la suivante - la poche de coulée (7) est mise en place sur la cuve concernée, le tube d'aspiration (6) étant introduit par le trou de coulée (5) au travers de la croûte d'électrolyte solidifié (4); - les vannes (10) et (14) étant fermées et la vanne (18) ouverte, on met la pompe (20)(21) en marche; la dépression dans la poche (7) augmente progressivement. Dès qu'elle atteint la dépression d'amorçage (DppA), par exemple 470 hPa dans le cas cité précédemment, on ouvre la vanne (10). L'amorçage est pratiquement instantané; - la dépression dans la poche continue à augmenter jusqu' une valeur de consigne maximale, par exemple 600 hPa. Dès ce moment, le vacuostat (25) entre en action et assure la régulation; - la vitesse et le débit de métal entre la cuve d'électrolyse et la poche atteignent leur niveau maximal et ils restent constants pendant toute l'opération. On injecte en outre de l'air extérieur par la vanne (15) pour la raison déjà expliquée; - lorsque la quantité prédéterminée de métal a été coulée (on peut le contrôler, entre autres, par pesée continue de la poche), on casse le vide par fermeture de la vanne principale (18) et ouverture de vanne (14) à l'atmosphère. Le métal encore contenu dans le tube (6) redescend dans la cuve. La poche (7) - moins qu'elle ne soit remplie d'Al à son niveau maximum- est immédiatement transférée sur la cuve suivante. Pendant ce transfert, on peut laisser la pompe à vide en marche.Une temporisation de quelques minutes (3 ou 4 par exemple) peut maintenir la pompe en marche malgré la fermeture de la vanne (18) et l'ouverture de la vanne (14); - on ouvre la vanne (18) pour remettre la poche sous vide et on reprend une nouvelle opération de coulée. Si en fin de coulée, la poche (7) est remplie à son niveau maximal, on désolidarise le couvercle (8) et l'ensemble de pompage, et on le transfère sur une poche vide, tandis que la poche (7), éventuellement munie d'un simple couvercle de protection, est transférée vers l'atelier de fonderie. La mise en oeuvre de l'invention constitue un perfectionnement important de la procédure de coulée des cuves d'électrolyse Hall-Héroult. La comparaison des figures 4 (art antérieur) et 5 (selon l'invention) montre les différents gains procurés par l'invention au niveau de dépression, en vitesse du métal dans le tuyau, débit instantané de métal et poids total de métal coulé, en fonction du temps; le temps total de coulée est divisé par deux. En outre, l'opération de coulée s'effectue avec une grande sécurité et une grande précision. Parmi les autres avantages, on peut noter que le poids du matériel de pompage sur le couvercle favorise l'étanchéité de la poche (lorsque le couvercle est amovible), en assurant un bon appui sur le joint, et que l'aménagement des circulations d'air (au pompage et à la mise à l'air) dans le serpentin et la dilution des gaz chauds par de l'air extérieur, lors du pompage, assurent une longue durée de vie aux filtres, aux vannes aval et à la pompe à vide. Bien que l'invention ait été décrite dans le cas particulier de la coulée d'aluminium provenant de cuves d'électrolyse Hall-Héroult, elle peut s'appliquer par une simple adaptation à la portée de l'homme de l'art, à des transferts de métal fondu, par aspiration, d'un emplacement de stockage intermédiaire ou de production vers un autre emplacement de stockage ou d'utilisation, par exemple: cellules de raffinage électrolytique igné d'aluminium, cellules de production électrolytique ignée de magnésium, de sodium, vidange de fours de fusion, transfert d'un four vers un autre four, etc... REVENDICATIONS 1. Dispositif de coulée par aspiration de l'aluminium produit dans une cuve d'électrolyse Hall-Réroult, l'aluminium étant aspiré par dépression dans une poche étanche (7) munie d'un tube (6) plongeant à une profondeur prédéterminée, dans la nappe d'aluminium liquide, caractérisé en ce que la poche (7) est munie d'un couvercle (8)perce d'un orifice (11) sur lequel est connecté un ensemble de pompage comportant de l'amont (côté couvercle) vers l'aval - en dérivation sur l'orifice (11), un moyen de mesure (12) et de régulation (25) de la dépression dans la poche (7), - en série avec l'orifice (11) un circuit (13) de refroidissement des gaz pompés dans la poche (7), - en dérivation sur l'extrémité aval du circuit de refroidissement (13), un moyen (15)(16) d'introduction contrôlée d'air extérieur et une vanne (14) de mise en communication avec l'air extérieur, - en série avec l'extrémité aval du circuit de refroidissement (13), une vanne d'isolation (18), reliée à une pompe d'aspiration (20) entrainée par un moteur électrique (21), et en ce que le tube d'aspiration (6) est muni, dans sa partie supérieure, d'une vanne d'isolation (10). 2. Dispositif de coulée, selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte > en outre, au moins un premier filtre à poussières disposé entre le circuit de refroidissement (13) et la vanne d'isolation (18). 3. Dispositif de coulée, selon revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte > en outre, un second filtre à poussières disposé entre la vanne d'isolation (18) et la pompe d'aspiration (20). 4. Dispositif de coulée, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de mesure de la température des gaz à l'entrée du premier filtre à poussière, connecté à un moyen de comparaison de cette température avec une valeur de consigne, et à un moyen de réglage du débit d'air extérieur admis par la vanne d'introduction (15) en fonction de l'écart entre la température de consigne et la température mesurée. 5. Dispositif de coulée, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le moyen de régulation (25) de la dépression dans la poche (7) est connecté à ltélectrovanne (15) réglant l'entrée d'air extérieur. 6. Dispositif de coulée, selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (13) est constitué par un serpentin du tube de métal ou alliage bon conducteur thermique, tel que du cuivre ou un alliage à base de cuivre. 7. Dispositif de coulée, selon revendication 6 caractérisé en ce que le serpentin comporte au moins un moyen de refroidissement auxiliaire externe, constitué par des ailettes et/ou un ventilateur. 8. Dispositif de coulée, selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le couvercle (8) de la poche (7) est amovible. 9. Application du dispositif de coulée, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 au transfert par aspiration d'un métal fondu dans une poche à partir d'un emplacement de production ou de stockage intermédiaire dudit métal fondu.