Brevet FR2680800A1 — publié le 19930305

Cellule d'électrolyse, notamment pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult L'invention concerne une cellule d'électrolyse, notamment pour la réduction d'alumine en aluminium par le procédé Hall-Héroult. Le principe de ce procédé, sur lequel repose la production de la quasi totalité de l'aluminium dans le monde, consiste à réduire par électrolyse l'alumine pure (oxyde d'aluminium A1203) dissoute dans un bain de cryolithe (aluminofluorure de sodium Na3AlF6) en fusion. La température nécessaire au maintien du bain en phase liquide, de l'ordre de 1000"C, est obtenue par le courant électrique d'électrolyse, sans aucune source de chaleur extérieure. La structure essentielle des cellules d'électrolyse utilisées dans ce procédé est illustrée schématiquement figure I : la cellule est constituée d'un caisson métallique 1 calorifugé, recouvert intérieurement sur son fond (sole) et ses parois latérales d'un revêtement 2 en carbone, par exemple constitué de blocs juxtaposés, ces blocs contenant chacun une barre métallique scellée 3. L'ensemble des barres métalliques 3 est relié au pôle négatif de la source d'alimentation en énergie électrique. L'ensemble que l'on vient de décrire forme l'électrode de cathode de la cellule électrolytique. L'électrode d'anode, quant à elle, est constituée par un bloc conducteur en carbone 4, disposé en vis-à-vis de la sole conductrice en carbone 2 et relié à une barre métallique 5 servant à la fois à suspendre l'anode 4 au-dessus de la sole 2 et à alimenter celle-ci en énergie électrique, la barre 5 étant une barre omnibus reliée à la borne positive de la source d'énergie électrique. La hauteur de l'anode 4 est ajustée de manière que celle-ci trempe dans la solution de cryolithe et d'alumine, qui constitue l'électrolyte de la cellule. Un fort courant électrique (pouvant aller jusqu'à 200 kA) passe de façon continue de l'anode à la cathode, ce qui a pour effet de dissocier l'aluminium métallique de son oxyde ; l'aluminium étant légèrement plus dense (2,5) que le mélange électrolytique (2,1), le métal tombe au fond de la cellule, d'où il peut être extrait par un trou de coulée. On est donc en présence, dans le bain liquide, de deux zones, à savoir une zone supérieure 6 constituée du mélange électrolytique (solution de cryolithe et d'alumine) et une zone inférieure 7 constituée de l'aluminium métal venant d'être réduit. Le bilan énergétique d'une telle cellule est assez médiocre : en effet, son rendement est d'environ 35%, ce qui signifie que 65% de l'énergie électrique délivrée à la cellule n'est pas utilisée pour la production électrochimique de l'aluminium, et est donc dissipée en chaleur, dont seulement une faible partie est nécessaire pour maintenir en fusion le bain. Le dégagement de chaleur a cependant plusieurs origines: outre l'effet Joule qui accompagne inévitablement le passage de courant dans le milieu électrolytique résistif, une fraction de la chaleur provient de la réaction chimique entre l'oxygène dégagé au sein de l'électrolyte, qui remonte vers l'anode et vient se combiner avec le carbone de l'anode ; ce dégagement d'oxygène est, comme l'effet Joule, inévitable car inhérent au procédé. Enfin, une partie de la chaleur dégagée est due à l'agitation au sein du contenu liquide de la cellule: en effet, on observe des mouvements de circulation et de turbulences importants dans le bain liquide, brassage indésirable qui engendre un dégagement de chaleur relativement important en raison des phénomènes de frottement visqueux. On estime généralement que, si l'on pouvait neutraliser cette agitation au sein du liquide, on pourrait accroître le rendement, actuellement de 35%, jusqu'à 50%. Et l'on sait que, compte tenu des quantités considérables d'énergie électrique impliquées dans la production de l'aluminium, toute augmentation, même minime, du rendement se traduirait par une économie considérable d'énergie électrique. Une partie de ce mouvement de circulation et des instabilités dynamiques constatées du contenu liquide de la cellule résulte de la libération d'oxygène au sein de la cryolithe, qui produit un effet de bouillonnement générateur de mouvement par effet d'entraînement. Cette cause étant inhérente au procédé, il n'est pas possible d'intervenir sur elle pour en réduire les effets. En revanche, il existe une autre cause de mouvement au sein du milieu liquide, qui est l'action des forces électrodynamiques, forces qui peuvent être très élevées compte tenu des niveaux de courant considérables traversant la cellule (jusqu'à 200 kA). Ce phénomène a fait l'objet de nombreuses études, qui se sont néanmoins révélées jusqu'à présent sans succès pour réduire les mouvements et turbulences au sein du liquide. Le point de départ de l'invention est la recherche d'un fondement théorique correct permettant d'expliquer convenablement ce phénomène et, une fois compris les causes et les mécanismes de celui-ci, d'en réduire les effets néfastes. La raison pour laquelle les études menées jusqu'à présent ont échoué semble être l'impropriété de la théorie des forces électromagnétiques deZorentz à décrire les phénomènes observés. En effet, selon cette loi, la composante de force magnétique doit toujours être perpendiculaire aux lignes de courant. Dès lors, dans le cas de la cellule considérée où le courant passe verticalement de l'anode à la cathode, toutes les forces électrodynamiques devraient être horizontales, produisant une circulation du métal liquide dans des plans horizontaux. Or il a été constaté expérimentalement que des courants traversant un métal liquide produisent également une circulation à l'intérieur de plans parallèles aux lignes de courant. Ce phénomène est connu depuis longtemps (voir notamment C. Hering, Electromagnetic Forces : a Search for More Rational Fundamentals ; a Proposed Revision of the Laws, Journal AIEE, Vol. 42, p. 139, 1923), mais il est resté très longtemps inexpliqué. On pourra à cet égard se référer à l'ouvrage de P. Graneau, Am- père-Neumann Electrodynamics of Metals, Hadronic Press (1985), Chap. 2, partie intitulée Liquid Metal Conductors, qui relate diverses expériences réalisées sur du mercure et montrant de façon irréfutable que le passage d'un courant suivant un trajet rectiligne dans un métal liquide provoque une circulation du métal dans des plans parallèles à la direction du courant, avérant ainsi l'existence d'une composante longitudinale de force magnétique. Ce phénomène y est expliqué par application de la théorie de la force d'Ampère entre éléments de courant, concept qui avait été proposé au siècle dernier (voir notamment A.-M. Ampère, Mémoire sur la détermination de la formule qui représente l'action mutuelle de deux portions infiniment petites de conducteurs voltaïques, lu à l'Académie des Sciences le 10 juin 1822) sur des bases empiriques, mais dont l'existence n'avait pas été confortée par la théorie, compte tenu en particulier du fait que l'on avait jusqu'à présent cru qu'il contredisait les lois de Maxwell. Or ce concept, qui permettaient d'expliciter les forces mises en jeu entre des éléments de courant, vient de se révéler parfaitement compatible avec la théorie de la Relativité (force de Lorentz). L'absence de contradiction - et donc la réalité probable des forces d'Ampère - vient en effet d'être reconnue par M. Rambaut et J. P. Vigier comme ne contredisant pas la Relativité. À ce sujet, on se réferera à M. Rambaut et J. P. Vigier, The Simultaneous Existence ofEM Grassmann-Lorentz Forces (Acting on Charged Particles) and Ampère Forces (Acting on Charged Conducting Elements) Does not Contradict Relativity Theory, Physics Letters A, Vol. 142, n" 8-9 du 25 décembre 1989, page 447, M. Rambaut et J. P. Vigier, Ampère Forces Considered as Collective Non-relativistic Limit of the Sum of All Lorentz Interactions Acting on Individual Current Elements Possible Consequences for Electromagnetic Discharge Stability and Tokamak Behaviour, Physics Letters A, Vol. 148, nO 5 du 20 août 1990, et M. Rambaut, Macroscopic Non-relativistic Ampère EM Interactions between Current Elements Reflect the Conducting Electrons Accelerations by the Ion's Electric Field, Physics Letters A, avril 1991. Comme cela a été démontré, dans un conducteur donné la force d'Ampère produit donc une attraction transversale entre éléments de courants parallèles et, surtout, une répulsion longitudinale entre éléments de courants colinéaires. Si l'on applique ces divers enseignements au cas de la cellule d'électrolyse d'aluminium, la théorie d'Ampère permet de prévoir une circulation de l'aluminium métal dans des plans parallèles à la direction des lignes de courant, donc dans des plans verticaux. Ce phénomène est d'ailleurs fortement accentué par le faible trajet du courant entre anode et cathode ainsi que par la faible densité (2,3) de l'aluminium liquide par rapport à celle (13,5) du mercure, métal sur lequel avait été effectuées les diverses expériences relatées dans l'ouvrage précité. Cette rationalisation du phénomène par application de la théorie de la force d'Ampère permet, outre l'explication des mouvements circulaires au sein de l'aluminium liquide, de comprendre l'origine de divers phénomènes qui, jusqu'à présent, avaient été constatés, mais étaient restés inexpliqués. Le premier de ces phénomènes est celui de la formation de cavités (potholes) dans le revêtement de carbone de la cathode. La figure2 montre l'exemple d'une telle cavité 8, qui vient peu à peu perforer la sole en carbone 2 jusqu'à atteindre la barre métallique 3. Des explications de ce phénomène ont été avancées (voir par exemple R.F. Robl, Molten Aluminum Circulation in Hall-Héroult Cells, AIME Light Metals, Vol. 1, p. 179, 1975), mais se sont cependant révélées inadaptées. La théorie de la force d'Ampère, en revanche, permet aisément d'expliquer ce phénomène. Selon cette loi, chaque particule de carbone à la surface de la cathode est repoussée de la couche de revêtement en carbone sur laquelle elle se trouve. Pour une distribution uniforme de courant sur toute l'étendue de la cellule, cette répulsion est la plus élevée au centre de la cathode et décroît peu à peu en allant vers la périphérie. Si la force de liaison des particules de carbone n'est pas parfaitement constante, certaines particules viendront à se détacher en certains endroits de cohésion plus faible et soumis à une force de répulsion élevée - tout particulièrement au droit des barres métalliques 3 qui produisent une concentration importante des lignes de courant dans les régions de la sole situées juste au droit de leur emplacement.La probabilité la plus élevée de formation d'une cavité correspond donc à une région située au milieu de la cellule et directement au-dessus d'une barre conductrice. Dès qu'une dépression se forme dans le revêtement de carbone, le métal liquide, dont la conductivité électrique est très supérieure (environ 500 fois) à celle du carbone, vient remplir cette dépression, ce qui renforce encore la concentration de courant dans la zone de la cavité en formation. Dès lors, plus le trou sera profond, plus les particules de carbone vont subir une force d'arrachement importante ceci explique le caractère instable de ce phénomène, qui arrive aisément à se propager sur toute la profondeur de la sole en carbone jusqu'à venir atteindre la barre conductrice, mettant alors celle-ci directement en contact avec l'aluminium liquide. L'absence de cavité dans le bloc d'anode en carbone confirme également l'explication par le mécanisme de la force d'Ampère: en effet, à la surface de l'anode, les particules de carbone sont certes soumises à une force répulsive comme celles de la cathode, mais si une dépression vient à se creuser elle se remplira d'électrolyte et non plus d'aluminium. Or, comme l'électrolyte présente une résistivité supérieure (d'environ 400 fois) à celle du carbone, on assistera au phénomène inverse de celui constaté à la cathode, à savoir que les lignes de courant vont se trouver éloignées des endroits de plus faible épaisseur, venant ainsi arrêter la progression du phénomène. Le second phénomène que l'on peut aisément expliquer par l'application de la théorie de la force d'Ampère est celui de la formation de court-circuits entre le bain d'aluminium liquide et l'anode, phénomène dû au fait que la surface de l'aluminium n'est pas toujours au repos, ni horizontale. Compte tenu des résultats désastreux d'un tel court-circuit, qui revient pratiquement à mettre en contact direct anode et cathode, il est essentiel de l'éviter à tous prix en prévoyant un bain d'électrolyte suffisamment épais au-dessus de la surface de l'aluminium. Mais cet accroissement de l'épaisseur d'électrolyte a pour inconvénient d'augmenter la résistance interne de la cellule, et donc d'engendrer des pertes supplémentaires par effet Joule, pertes qui auraient pu être évitées en recourant à un bain plus mince. Ce phénomène est, ici encore, explicable par la force d'Ampère longitudinale: en effet, pour une distribution de courant uniforme, la cathode va exercer sur l'aluminium une force de soulèvement supérieure à la force d'appui vers le bas exercée sur l'électrolyte par l'anode. Ceci est dû au fait que la conduction dans la cryolithe est essentiellement une conduction par des ions lourds, tandis que la conduction dans l'aluminium est essentiellement une conduction électronique, et l'on a démontré (voir notamment R. Azvedo, P. Graneau, C. Millet, N. Graneau, Powerful Water-Plasma Explosions, Physics Letters A, Vol. 117, p. 101, 1986) que la force d'Ampère longitudinale présente une valeur très inférieure dans le cas d'une conduction essentiellement par des ions lourds. En outre, pour une distribution de courant uniforme la force de soulèvement exercée sur l'aluminium est la plus élevée au centre la cellule. Dès lors qu'un faible relèvement de la surface du métal se forme, pour une raison quelconque, au centre de la cellule, le courant commence à se concentrer à l'endroit de cette déformation, venant ainsi amplifier le phénomène (voir l'illustration de la figure 3, où la référence 9 désigne cette zone de déformation instable au centre de la cellule, à l'interface entre cryolithe 6 et aluminium 7). n va alors se produire un phénomène comparable à celui de la fontaine de métal liquide décrite dans l'ouvrage précité de Graneau ainsi que dans P. Graneau et D.R.Sadoway, Electromagnetic Jets Offer Large Potential to Metallurgists, Industrial Research & Development, Dec. 1982, p. 96, ce phénomène induisant un brassage du bain d'aluminium liquide et, si la couche d'électrolyte 6 n'est pas suffi- samment épaisse, la venue en contact du bain d'aluminium 7 avec l'anode 4 à l'endroit de cette instabilité 9. L'un des buts de l'invention est de pallier ces différents phénomènes adverses en proposant une structure de cellule qui: - évite la formation de cavités dans la cathode, empêche le phénomène de fontaine , autorisant ainsi l'usage d'une couche plus mince d'électrolyte avec une augmentation de rendement corrélative, et améliore encore le rendement du fait de la réduction du bras sage de l'aluminium dans les plans verticaux, brassage géné rateur de frottements visqueux et de turbulences faisant bais ser le rendement de la cellule. L'idée générale de l'invention consiste à uniformiser la distribution du courant traversant la cellule et limiter de ce fait les forces d'Ampère s'exerçant sur le contenu de la cellule. À cet effet, l'invention, qui s'applique à une cellule d'électrolyse du type précité, c'est-à-dire comprenant essentiellement une cuve, recevant l'électrolyte, pourvue d'une sole conductrice en carbone formant cathode, cette sole étant en contact électrique avec un système conducteur métallique atteignant essentiellement toutes les régions actives de la sole de manière à alimenter ces dernières par un courant cathodique, la cellule comprenant en outre au moins un bloc conducteur en carbone formant anode, ce bloc étant en contact électrique avec une barre assurant la suspension mécanique du bloc audessus de la sole et l'alimentation électrique de celui-ci par un courant anodique, est caractérisée en ce que la sole conductrice en carbone et le bloc conducteur en carbone comportent chacun une plaque métallique noyée s'étendant, horizontalement et sans solution de continuité, essentiellement sur toute la surface active de l'élément, sole ou bloc, en regard de l'élément opposé ; de cette manière, on peut uniformiser la distribution du courant circulant dans la cellule et limiter de ce fait les forces d'Ampère s'exerçant sur le contenu de la cellule. De préférence, la plaque métallique de la sole constitue ledit système conducteur métallique, la plaque comportant alors un partie prolongée faisant saillie latéralement de la sole, pour l'alimentation directe de celle-ci par le courant cathodique. Dans une forme de réalisation avantageuse, l'une des plaques métalliques d'anode ou de cathode est entourée d'une couronne périphérique coplanaire alimentée séparément, l'autre plaque étant alors prolongée à sa périphérie de manière à s'étendre également face à la couronne, et l'alimentation de la couronne périphérique est ajustée de manière que la densité de courant régnant au sein du volume d'électrolyte situé en regard de la couronne soit supérieure à celle régnant au sein du volume d'électrolyte situé en regard de la plaque qu'entoure la couronne, de manière à compenser la réduction desdites forces d'Ampère au voisinage de la périphérie de la cellule. On va maintenant décrire plus en détail des exemples de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées. La figure 1, précitée, est une vue schématique, en perspective et en coupe, d'une cellule d'électrolyse selon l'art antérieur. La figure 2, précitée, explicite la formation des cavités venant perforer la sole en carbone de la cellule. La figure 3, précitée, explicite la déformation de la surface de l'aluminium et la création du phénomène de fontaine liquide . La figure 4 est homologue de la figure 1, pour une cellule selon l'invention. La figure 5 montre, prises isolément, les plaques métalliques caractéristiques de l'invention et apparaissant sur la vue générale de la figure 4. La figure 6 est homologue de la figure 5, pour une variante de réalisation permettant d'agir sur la densité de courant en périphérie de la cellule. 0 La figure 4 illustre une cellule d'électrolyse selon l'invention. Sa structure générale est la même que celle d'une cellule d'électrolyse de l'art antérieur telle qu'illustrée figure 1 : caisson 1, sole en carbone 2 formant cathode, bloc en carbone 4 formant anode, barre d'alimentation d'anode 5, bain d'électrolyte 6 flottant au-dessus du bain d'aluminium liquide 7. De façon caractéristique de l'invention, des plaques métalliques 10, 11 sont noyées dans la masse de la matière carbonée, respectivement 2, 4, formant la cathode et l'anode. En ce qui concerne en particulier la cathode, la plaque métallique 10 peut avantageusement remplacer les barres conductrices 3 utilisées dans la cellule de l'art antérieur de la figure 1, un prolongement latéral 12 étant alors prévu pour permettre le raccordement des moyens d'alimentation électrique. Ces plaques métalliques 10, 11 peuvent être réalisées par exemple en acier, en cuivre, ou en tout autre métal, et noyées dans la masse des blocs de carbone formant l'anode et la cathode. Comme illustré figure 5, ces deux plaques 10, 11 sont de même étendue et sont placées horizontalement et parallèlement l'une au-dessus de l'autre ; les éléments respectifs 12 et 5 ne servent qu'à permettre l'amenée du courant et peuvent être remplacés par tout autre mode de connexion connu. La présence de ces plaques permet d'améliorer notablement la distribution de courant sur l'étendue de la cellule, évitant ainsi les non-uniformités importantes rencontrées, dans les cellules classiques, au voisinage de l'anode et de la cathode. En effet, le carbone étant environ 140 fois plus résistant que le fer (et 800 plus que le cuivre), le fait de noyer un système conducteur métallique irrégulier dans la masse du carbone déforme considérablement la distribution de courant dans la cellule. Si les seules forces électrodynamiques impliquées étaient celles prévues par la théorie de Lorentz, l'incidence de ces non-uniformités serait assez faible. Mais du fait que, comme on vient de le démontrer et comme le confirment les phénomènes expérimentaux observés, les forces impliquées sont essentiellement les forces d'Ampère longitudinales, qui sont très fortement et très négativement affectées par les nonuniformités de distribution du courant, il devient essentiel d'en réduire l'incidence, et tel est précisément l'objet de la proposition de l'invention. La figure 6 illustre une variante de réalisation permettant d'intervenir sur la répartition de courant entre le centre et la périphérie de la cellule. L'idée essentielle consiste à rendre plus élevée la densité de courant dans les régions périphériques que dans la région centrale, afin de compenser la réduction des forces d'Ampère longitudinales au bord de la cellule que l'on observe dans le cas d'une densité de courant uniforme. il serait relativement complexe d'adapter exactement le profil de distribution de la densité de courant pour rendre identiques les forces longitudinales en tout point de la cellule (ce qui supprimerait ainsi toute circulation dans des plans verticaux), mais il existe une solution simplifiée consistant à scinder la cellule en deux zones de densités de courant différentes, à savoir, comme illustré figure 6, une zone centrale 13 et une zone périphérique 14 (on a pris l'exemple d'une cellule circulaire, mais le principe s'appliquerait aussi bien à une cellule rectangulaire ou de tout autre forme). Pour cela, la plaque d'anode est fractionnée en deux parties distinctes, à savoir un disque central 11 entouré d'une couronne 11', chacune des deux parties 11 et 11' étant pourvue d'une barre d'alimentation respective propre 5, 5'. ll n'est pas nécessaire de fractionner la plaque de cathode 10, qui forme simplement un plan de masse uniforme. Si l'on applique à la couronne périphérique 11' une tension V2 supérieure à cella V1 appliquée au disque central 11, il passera dans la zone périphérique 14 un courant plus important que dans la zone centrale 13. On s'oppose ainsi à la circulation du métal liquide dans des plans verticaux, et on réduit encore plus la consommation énergétique de la cellule d'électrolyse. REVENDICATIONS 1. Une cellule d'électrolyse, notamment pour la réduction d'alumine en aluminium par le procédé Hall-Héroult, comprenant une cuve (1), recevant l'électrolyte (6, 7), pourvue d'une sole conductrice en carbone (2) formant cathode, cette sole étant en contact électrique avec un système conducteur métallique atteignant essentiellement toutes les régions actives de la sole de manière à alimenter ces dernières par un courant cathodique, la cellule comprenant en outre au moins un bloc conducteur en carbone (4) formant anode, ce bloc étant en contact électrique avec une barre (5) assurant la suspension mécanique du bloc au-dessus de la sole et l'alimentation électrique de celui-ci par un courant anodique, cellule caractérisée en ce que la sole conductrice en carbone (2) et le bloc conducteur en carbone (4) comportent chacun une plaque métallique (10, 11) noyée s'étendant, horizontalement et sans solution de continuité, essentiellement sur toute la surface active de l'élément, sole ou bloc, en regard de l'élément opposé, de manière à uniformiser la distribution du courant circulant dans la cellule et limiter de ce fait les forces d'Ampère s'exerçant sur le contenu de la cellule. 2. La cellule d'électrolyse de la revendication 1, dans laquelle la plaque métallique (10) de la sole constitue ledit système conducteur métallique, la plaque comportant alors un partie prolongée (12) faisant saillie latéralement de la sole, pour l'alimentation directe de celle-ci par le courant cathodique. 3. La cellule d'électrolyse de la revendication 1, dans laquelle l'une (11) des plaques métalliques d'anode ou de cathode est entourée d'une couronne périphérique (11') coplanaire alimentée séparément, l'autre (10) plaque étant alors prolongée à sa périphérie de manière à s'étendre également face à la couronne, et l'alimentation de la couronne périphérique étant ajustée de manière que la densité de courant régnant au sein du volume d'électrolyte (14) situé en regard de la couronne soit supérieure à celle régnant au sein du volume d'électrolyte (13) situé en regard de la plaque qu'entoure la couronne, de manière à compenser la réduction desdites forces d'Ampère au voisinage de la périphérie de la cellule.