Brevet FR2639049A1 — publié le 19900518

La présente invention concerne une électrode en carbone pour électrolyse en vue d'un affinage de matière en fusion, cette électrode étant entourée par une cloche protectrice auto-portante, étanche au gaz et résistante à la température. Dans des opérations d'électrolyse pour affi- nage de matières fondues, comme par exemple l'électrolyse à trois couches pour l'affinage d'aluminium, on utilise habituellement comme cathodes des électrodes en carbone. Ces électrodes plongent directement dans le métal catho- dique fondu. Sous l'effet de la haute température des électrodes et de la pénétration sans entrave d'oxygène de l'air, le carbone subit un brûlage très fort à peu de distance au-dessus de la surface du bain. La section d'électrode peut alors être si fortement réduite que la partie inférieure de l'électrode se rompt. Cela se traduit au total par une consommation importante en carbone, d'environ 8%, rapportée à la quantité de métal produite. Pour réduire cette forte consommation de carbone, on doit empêcher la pénétration d'oxygène de l'air. A cet égard, on a proposé jusqu'à maintenant plusieurs procédés. Par imprégnation de l'électrode en carbone, par exemple avec du borax ou des phosphates, il est possi- ble de réduire la consommation de carbone à environ 4%. Dans ce cas cependant, le métal cathodique est encrassé par l'agent d'imprégnation. Un revêtement ou un enrobage des électrodes en carbone avec de l'aluminium déjà affiné n'assure aucune protection suffisante contre l'oxygène. Aux températures indiquées, l'aluminium peut être enlevé de la surface d'électrode par fusion de sorte que le carbone brdle en dessous de la couche protectrice. Comme autres possibilités, on a proposé de pourvoir les électrodes en carbone directement d'une couche céramique de plusieurs millimètres d'épaisseur, par exemple par pulvérisation par plasma. Les différences de dilatation thermique entre le carbone et la céramique provoquent cependant, sous l'effet d'une sollicitation thermique, une destruction de la couche céramique. L'invention a en conséquence pour but de protéger une électrode en carbone de façon efficace et permanente contre une pénétration d'oxygène de telle sorte que l'élimination du carbone par brûlage soit réduite à des valeurs d'environ 1%. A cet égard, aucune impureté ne doit pénétrer dans le métal cathodique. Ce problème est résolu selon l'invention en ce que l'électrode en carbone est entourée par une cloche protectrice auto-portante, étanche au gaz et résis- tante à la température. Par le terme "auto-portante", on entend une cloche protectrice qui est maintenue à distance de l'é- lectrode le cas échéant également par l'intermédiaire d'un dispositif de soutien. L'électrode et la cloche protectrice plongent ensemble dans le métal cathodique de telle sorte que l'électrode est complètement isolée de l'air environ- nant. La cloche protectrice doit être réalisée auto- portante et elle ne doit pas s'appuyer contre l'électrode car la cloche protectrice serait autrement détruite à cause des différences de dilatation thermique du carbone et de la céramique. L'espacement entre la surface extérieure de l'électrode et la surface intérieure de la cloche protec- trice devrait être au moins égal à 1 mm. En dessous de cette valeur, il existe le risque que, par action capil- laire, du métal fondu s'élève dans l'espace intermédiaire et se solidifie dans des zones plus froides. Cela peut conduire à une destruction de la cloche protectrice ou bien limiter la possibilité de réemploi de la cloche. Comme matériau approprié pour la cloche pro- tectrice, il s'est avéré judicieux d'utiliser une matière céramique à base d'A1203, ayant une teneur en A1203 supé- rieure ou égale à 99,7% en poids et une porosité totale inférieure ou égale à 5%. Ce matériau est suffisamment étanche pour empêcher l'entrée d'oxygène de l'air. La grande pureté garantit qu'aucune impureté ne puisse pénétrer dans le métal cathodique. Pour obtenir une bonne stabilité mécanique lors du montage et de la manutention de la cloche protectrice, il est nécessaire de prévoir une épaisseur minimale de paroi de 5 mm. La cloche protectrice doit, malgré sa résis- tance comparativement grande à des chocs thermiques, être préchauffée avant sa plongée dans le bain fondu pour éviter des dommages. L'électrode en carbone conforme à l'invention permet, dans une forme avantageuse de réalisation, un préchauffage économique directement dans le four d'électrolyse. Dans ce cas, la cloche protectrice n'entoure pas toute la surface périphérique de l'électrode en carbone mais elle se termine à une distance déterminée du côté d'électrode plongeant dans le bain. Cette distance d'espacement s'élève au moins à 10 mm. Toute l'électrode est introduite dans le four d'électrolyse et initialement elle est préchauffée au-dessus du bain pendant une période de 6 à 10 heures. Ensuite, la partie inférieure de l'élec- trode en carbone est plongée dans le bain, la cloche'pro- tectrice n'étant alors pas en contact direct avec le bain. Dans cette position, l'électrode continue à être chauffée pendant une période de 6 à 10 heures. Ensuite l'électrode est descendue suffisamment pour que la cloche protectrice plonge dans le bain. L'espacement maximal entre le bord inférieure de l'électrode et le bord inférieur de la cloche est limité par la hauteur de couche du métal cathodique liquide. Cet espacement ne devrait pas dépasser sensible- ment une valeur de 30 mm. L'électrode en carbone conforme à l'invention est réalisée avantageusement avec une forme cylindrique. Elle peut être utilisée avantageusement comme cathode dans des procédés d'électrolyse pour affinage de matières en fusion. A cet égard, elle convient notamment comme ca- thode pour l'électrolyse en trois couches servant à l'affinage d'aluminium. Dans ce cas, la consommation de carbone peut être réduite à environ 1%, cette valeur étant rapportée à la quantité de métal produite. D'autres avantages de l'invention consistent dans la longue durée de service et la possibilité de réemploi de la cloche protectrice ainsi que dans l'élimination d'impuretés dans le métal cathodique. Un exemple de réalisation de l'invention va être décrit de façon plus détaillée dans la suite en relation avec le dessin annexé dans lequel la figure 1 représente une électrode en carbone conforme à l'invention, pourvue d'une cloche protectrice en céramique et montée de façon à être prête à l'emploi. L'électrode en carbone 1 a une forme cylin- drique. Du côté d'arrivée du courant, il est prévu une tubulure en cuivre 7 qui est encastrée dans l'électrode 1 à l'aide d'un enduit de scellement 8 en graphite. La cloche protectrice 2 est formée d'une matière céramique à base d'A1203, qui a une teneur en A1203 supérieure ou égale à 99,7% en poids et une porosité totale inférieure ou égale à 5%. Elle est réalisée avec une forme tubulaire et est disposée concentriquement autour de l'électrode en carbone 1. La cloche protectrice 2 comporte à une extrémité une collerette périphérique 9, faisant saillie radialement vers l'intérieur. La fixation de la cloche protectrice 2 est réalisée par liaison vissée de la col- lerette 9 et de la tubulure 7 en cuivre au moyen d'un écrou 10. La liaison vissée est rendue étanche par l'inter- mêdiaire de rondelles de pression 11, 12, en coopération avec des bagues d'étanchéité 13, 14, 15 résistantes à la température et un enduit d'étanchéité 16. L'espacement entre l'enveloppe 3 de l'électrode et la surface intérieure 4 de la cloche protectrice 2 est compris entre 1 et 5 mm. Du côté plongeant dans le bain de fusion, l'électrode en carbone 1 sort de la cloche protectrice 2. L'espacement en- tre le bord inférieur 5 de l'électrode et le bord inférieur 6 de la cloche protectrice s'élève à mm. REVENDICATIONS 1 - Electrode en carbone pour des opérations d'électrolyse pour affinage de matières en fusion, carac- térisée en ce que l'électrode en carbone (1) est entourée par une cloche protectrice (2) auto-portante, étanche au gaz et résistante à la température. 2 - Electrode en carbone selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que la cloche protectrice (2) se compose dans l'essentiel d'A1203, la teneur en A1203 étant supérieure ou égale à 99,7%. 3 - Electrode en carbone selon une des re- vendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le matériau de la cloche protectrice (2) a une porosité totale qui est au maximum de 5%. 4 - Electrode en carbone selon une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'espacement entre la surface extérieure (3) de l'électrode en carbone (1) et la surface intérieure (4) de la cloche protectrice (2) est compris entre 1 et 5 mm. - Electrode en carbone selon une des re- vendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'épaisseur minimale de paroi de la cloche protectrice (2) s'élève à mm. 6 - Electrode en carbone selon une des re- vendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'électrode en carbone (1) et la cloche protectrice (2) ont une forme cylindrique. 7 - Electrode en carbone selon une des reven- dications 1 à 6, caractérisée en ce que l'espacement entre le c6té inférieur (5), plongeant dans le bain de fusion, de l'électrode (1) et le bord inférieur (6) de la cloche protectrice (2) s'élève à au moins 10 mm. 8 - Procédé pour préchauffer une électrode en carbone servant à l'électrolyse d'une matière en fusion et qui est entourée par une cloche protectrice (2) auto- portante, étanche au gaz et résistante à la température, l'espacement entre le côté inférieur (5), plongeant dans le bain de fusion, de l'électrode (1) et le bord infé- rieuir (6) de la cloche protectrice (2) s'élevant au moins à 10 mm, procédé caractérisé en ce que le préchauffage est effectué directement dans le four d'électrolyse avec les étapes suivantes: a) préchauffage de l'électrode dans le four au-dessus du bain de fusion et pendant une période de 6 à 10 heures. b) immersion de la partie inférieure de l'électrode en carbone dans le bain de fusion et chauffage sans contact direct de la cloche protectrice dans le bain de fusion pendant une période de 6 à 10 heures, c) descente additionnelle de l'électrode jusqu'à ce que la cloche protectrice plonge également dans le bain de fusion. 9 - Utilisation d'une électrode en carbone qui est entourée par une cloche protectrice (2) auto- portante au gaz et résistante à la température, comme cathode dans des procédés d'électrolyse pour affinage de matières fondues. - Utilisation d'une électrode en carbone selon la revendication 9, comme cathode pour une élec- trolyse à trois couches servant à l'affinage d'aluminium.