Brevet FR2635188A1 — publié le 19900209

- i - 2635188 PROCEDE DE COR TROLE DE LA RESISTANCE A LA FISSURATIOR PARl CHOC THERMIQUE DE PRODUITS CABORES EN COURS DE FABRICATION DOIANHE DE L'INVENTION L'invention concerne un procédé de contr8le de la résistance à la fissura- tion par choc thermique de produits carbones en cours de fabrication, et notamment des anodes et cathodes destinées à la production d'aluminium par électrolyse selon le procédé Hall-Héroult et des électrodes pour fours à arc. ETAT DE LA TECHNIQUE Parmi les produits réfractaires, les produits carbonés se caractérisent par leurs propriétés de conduction thermique et électrique. De ce fait, ils sont utilisés comme électrodes ou revêtements de fours o ils se distinguent par leur résistance élevée au choc thermique. On les rencontre principalement dans les industries: - de l'aluminium primaire, o ils sont utilisés comme anodes et cathodes des cuves d'électrolyse. - de la sidérurgie, o ils sont utilisés comme électrodes dans les fours à arc et comme revêtement, notamment dans les hauts-fourneaux - de l'électrométallurgie, o ils sont utilisés comme électrodes; et aussi comme revêtement de fours électriques. Pour la bonne compréhension de l'invention, on rappelle que ces produits carbonés sont obtenus par malaxage à une température de l'ordre de 140 à 160 C d'un mélange d'agrégat carbone, tel que coke ou anthracite, et d'un liant cokifiable, tel que du brai, puis mise en forme de la "pâte carbonée" ainsi obtenue par différents moyens tels que filage, vibrotassage, compactage, etc... et cuisson pendant une durée qui peut atteindre plusieurs semaines à une température au moins égale à 900 C, qui peut atteindre 1000 à 1200 C pour des produits en carbone amorphe et plus de 2500 C pour des produits en graphite. Dans l'industrie de l'aluminium par exemple, les produits carbones subis- sent un choc thermique important: - dans le cas des cathodes t lors du scellement à la fonte des barres - 2 -2635188 d'amenées de courant, la fonte liquide, à une température de 1400- 1500 C, est versée directement dans une cavité usinée dans chaque bloc cathodique. - dans le cas des anodes: lors de leur introduction dans le bain de cryolithe en fusion, à une température peu inférieure à 1000 C. Dans le cas des anodes, il est particulièrement important de s'assurer de la tenue au choc thermique avant leur mise en service. En effet, l'anode est un produit consommable que l'on remplace sur la cuve d'électrolyse au fur et à mesure de sa consommation: une usine moderne produisant 240 000 tonnes d'aluminium par an consomme en même temps 150 000 anodes. Une crise de qualité entraînant des fissurations d'anodes va se traduire très rapidement par une perte de production et des instabilités de marche des cuves, du fait de la chute dans l'électrolyte de morceaux de carbone détachés des anodes fissurées. On a déjà utilisé des méthodes pour caractériser la résistance au choc thermique d'un matériau carboné; ces méthodes se basent généralement sur la conductivité électrique du carbone. On peut, par exemple, chauffer - un échantillon par effet Joule direct jusqu'à une température donnée, puis le plonger brutalement dans un fluide par exemple à la température ambiante. SATO (S. SATO et al. Carbone, 1975, vol. 13, p. 309-316) a étudié les mécanismes d'endommagement des graphites par choc thermique. Sa méthode consiste à tailler des éprouvettes dans le matériau graphitique à étudier et à le chauffer brutalement par décharge d'un arc électrique en son centre. Il se produit alors une fissure dans le matériau à partir du moment ou la puissance dans l'arc atteint un certain niveau. SATO et al. ont donc apporté une contribution importante à la compréhension des mécanismes d'endommagement des graphites, qui relèvent de la mécanique non-élastique et non-linéaire de la rupture. Toutefois, jusqu'à présent, personne n'a songé à caractériser de manière rapide et efficace la résistance à la fissuration d'un lot de produits carbonés, par exemple d'anodes précuites ou de cathodes pour l'électrolyse de l'aluminium, avant leur mise en service. Or, il est très important - 3 - 2635188 que l'on ait, en cours de fabrication, et avant les opérations de finition (par exemple scellement des barres cathodiques ou des tiges de suspension d'anodes) une indication fiable du comportement de ces produits au choc thermique, ce qui permettrait de rebuter les lots douteux et d'éviter ainsi des incidents de fabrication très dommageables. OBJET DE L'INVENTIOE L'objet de la présente invention est donc un procédé de contr8le de la résistance à la fissuration par choc thermique de produits carbonés en cours de fabrication, ces produits étant obtenus par mise en forme d'une pâte carbonée et cuisson à une température au moins égale à 900 C, ce procédé comportant les étapes suivantes: - on prélève dans le produit carboné à tester un échantillon cylindrique dans lequel on taille une pluralité de disques. - on évide chaque disque dans sa partie centrale. - on applique à cet échantillon, en son centre, une énergie thermique prédéterminée pendant une durée prédéterminée. - on observe la présence ou l'absence de fissure dans chaque disque soumis au test. On en tire ensuite les conclusions sur l'aptitude des produits à être utilisés ou on décide de les rebuter. La figure 1 représente, en coupe verticale, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention. L'échantillon 1, percé en son centre d'un trou 2, est posé sur un support 3 constitué par une plaque de graphite, elle-même supportée par une plaque métallique 4 reliée à un des p8les du générateur de courant 5, et reposant sur une plaque isolante 6. L'électrode 7 est supportée par une pince 8 reliée à l'autre p8le du générateur 5, et solidaire par le support de pince 9 d'un bâti 10, mobile dans le sens vertical le long de la colonne 11, munie d'une butte haute 12, et qui est supportée par le socle inférieur 13. Ce dispositif peut être commodément emprunté à une perceuse à colonne, qui permet une appoche précise de l'électrode 7 du disque 1 pour l'amorçage de l'arc. Enfin, trois buttes périphériques réglables 14, disposées à C assurent un centrage rapide et précis du disque à tester par rapport à l'électrode 7. -4 - 2635188 Le générateur 5 a les caractéristiques d'un générateur d'arc classique, comportant des moyens de stabilisation en tension et en intensité, et, le cas échéant, tous les automatismes nécessaires pour réaliser l'amorçage de l'arc et le réglage de la puissance et sa durée d'application sur l'échantillon sous test. Ce générateur peut être prévu pour fournir un courant alternatif, mais aussi, de préférence, un courant continu. Le trou central 2 a, de préférence, un diamètre -supérieur à celui de l'électrode 7. En variante de mise en oeuvre, le trou 2 peut être rempli d'une matière bonne conductrice de l'électricité, par exemple de la poudre de graphite ou de la poudre métallique, de façon à assurer, dans toute la mesure du possible, un écoulement isotrope du flux thermique dans le disque 1 selon les directions radiales, Il est également possible de dispo- ser, dans le trou 2, un insert métallique en métal bon conducteur tel que du cuivre. Si l'on veut assurer une répartition homogène du flux thermique dans le disque à tester, il est préférable que celui-ci ne repose pas directement sur la plaque support 3 mais qu'il soit surélevé d'une fraction de millimè- tres à quelques millimètres au moyen d'une cale 15, en matériau conducteur, et de préférence en graphite, qui peut prendre la forme d'une bague ou d'une plaque de dimensions suffisantes pour assurer le passage du courant générant l'arc électrique. La bague peut être placée soit en position centrale (15), soit en position périphérique (15A). De façon à mieux visualiser les fissures et criques qui peuvent se former dans le disque lors des tests, il est avantageux de le recouvrir préalable- ment d'une couche continue de poudre fine, de couleur claire, constituée de préférence d'un composé minéral peu fusible tel que de l'alumine ou de la magnésie ou d'un composé analogue (talc, craie...) soit par saupoudrage direct, soit par application, d'une barbotine aqueuse ou alcoo- lique. Les fissures apparaissent alors très nettement, en noir sur fond clair. EXMPLE DE MISE EN OEUVRE DE L' INVEUToN On a testé la résistance à la fissuration par choc thermique sur un échan- tillonnage représentatif de six lots d'anodes précuites de fabrications -5- 2635188 différentes, provenant de plusieurs ateliers. Ces six lots ont été référen- cés A,B,C,D,E,F. Leur résistance au choc thermique déterminée par l'utilisation en conditions industrielles réelles va croissant de A à F. Dans chaque anode, on a prélevé une carotte cylindrique de 90 m de diamè- tre, dans laquelle on a taillé 10 disques de 10mm d'épaisseur. Au centre, on a évidé un trou de 10 mm de diamètre que l'on a rempli d'une poudre de graphite artificiel. L'électrode 8 a un diamètre de 8 mm. La puissance choisie, entre 900 et 1300 watts, a été appliquée pendant 30 secondes sur chacun des disques, préalablement recouverts d'une couche mince de barbotine d'alumine ayant une granulométrie inférieure à 35 pm. Le résultat apparaît sur le tableau 1 ci-dessous: * Puissance appliquée (Watts): 900: 1100: 1300 : Références échantillons: Pourcentage de disques fissurés : A: 100 : -: - : B: 20 75: 100: : C: 0 : 0: 25: : D: 0 : O: 20: : E: 0 : 0 15 F: : O: O: Il apparaît qu'il y a une excellente corrélation entre le comportement des anodes en conditions réelles et les résultats des tests de fissuration par choc thermique selon l'invention. Le procédé permet donc, dès la fin de la cuisson des anodes et avant leur mise en service sur la cuve (qui comporte l'étape supplémentaire de scelle- ment à la fonte des tiges de suspension) de prévoir le comportement des anodes au choc thermique et de rebuter, le cas échéant, les lots qui au- raient conduit, à coup sir, à des fissurations à la mise en service, avec les conséquences ficheuses qui en résultent. Cela s'applique, de la même façon, aux blocs cathodiques (avant scellement des barres cathodiques) et aux électrodes et blocs de garnissage de fours pour la sidérurgie et l'électromnétallurgie y compris les électrodes de graphite pour les fours d'aciéries électriques. - 6 - 6 -2 635188 REVENDICATIONS 1/ Procédé de contr8le de la résistance à la fissuration par choc thermique de produits carbones en cours de fabrication, ces produits étant obtenus par malaxage d'un agrégat carbone et d'un liant cokéfiable fournissant une pâte carbonée que l'on met en forme puis que l'on cuit à une température au moins égale à 900 C, caractérisé en ce que': - on prélève dans ledit produit carboné des échantillons cylindriques dans lesquels on taille des disques 1; - on évide chaque disque dans sa partie centrale 2; - on applique à chaque disque, en son centre, une énergie thermique prédé- terminée pendant une durée prédéterminée; - on observe ensuite la présence ou l'absence de fissure dans les disques soumis au test. 2/ Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la source d'énergie est un arc électrique formé entre le disque 1 et une électrode 7 disposée perpendiculairement et axialement par rapport au plan du disque 1; 3/ Procédé selon revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le trou cen- tral 2 a un diamètre supérieur à celui de l'électrode 7. 4/ Procédé selon revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le trou central 2 est rempli d'une substance bonne conductrice du courant électrique choisie parmi de la poudre de graphite, de la poudre métallique ou un insert métallique. / Procédé selon revendication 4, caractérisé en ce que le disque 1 repose sur la plaque support 3 par l'intermédiaire d'une cale (15) (15A) en maté- riau conducteur. 6/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le disque est, avant le test, recouvert sur sa face supérieure d'une fine couche continue d'une substance minérale pulvérulente, peu fusible et de couleur claire. 7/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le produit carbone soumis au test est prélevé dans des anodes - 7 -2635188 -7- précuites destinées à la production d'aluminium par électrolyse selon le procédé Hall-Héroult avant scellement des tiges de suspension. 8/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le produit carboné soumis au test est prélevé dans des blocs cathodiques destinés à la production d'aluminium selon le procédé Hall- Héroult avant scellement des barres cathodiques. 9/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le produit carboné soumis au test est prélevé dans des électrodes de graphite destinées à des fours électriques d'aciérie ou d'électrométal- lurgie.