Brevet FR2709498A1 — publié le 19950310

D E S C R I P T I 0 N La présente invention concerne un procédé et une instal- lation d'affinage d'aluminium dans une cellule d'électrolyse par fu- sion en trois couches, l'apport du métal à affiner s'effectuant par l'intermédiaire d'un avant-creuset qui contient un alliage anodique liquide. L'installation est constituée d'un habillage en briques de magnésite, d'un fond anodique en carbone, d'une barre anodique en acier, de l'aluminium de première fusion à affiner, d'un électrolyte en fusion, d'aluminium affiné, de cathodes en graphite et d'au moins un avant-creuset. On connait un procédé de ce type par la revue "Aluminium- Taschenbuch", 14ème édition, page 17. On utilise habituellement pour l'électrolyse en trois couches un four avec un avant-creuset. Ce der- nier sert à alimenter la cellule électrolytique, l'apport de l'aluminium pur à affiner s'effectuant sous forme liquide, par l'intermédiaire de l'avant-creuset conçu comme siphon, dans la couche inférieure de métal électrolytique, appelé "métal anodique". On ajoute au métal anodique environ 30 % de cuivre afin d'augmenter son poids volumique; du fait de l'apport permanent d'aluminium à affiner, on peut constater une répartition irrégulière de l'alliage dans le four électrolytique. Outre le métal anodique, la cellule électrolytique comprend une couche intermédiaire d'électrolyte en fusion et, au-dessus, le produit obtenu "aluminium extra-pur" qui, en tant que couche supé- rieure, est en contact avec les cathodes en graphite. L'électrolyse fonctionne avec du courant continu, l'apport de courant anodique s'effectuant au fond du four et l'apport catho- dique par l'intermédiaire d'électrodes en graphite. Du fait des poten- tiels électro-chimiques qui entrent en jeu, c'est pour l'essentiel uniquement l'aluminium qui est dissous côté anode ou encore déposé côté cathode. Du fait de la faible vitesse de diffusion, il ne se pro- duit pas de mélangeage automatique de l'aluminium liquide pur alimenté avec l'alliage anodique, de sorte qu'on effectuait jusqu'à présent un pompage mécanique afin d'obtenir un équilibrage de concentration entre les différents composants du métal anodique. Un pompage manuel ou mécanique crée un risque d'apparition, aux interfaces des trois couches, d'ondes qui peuvent à l'extrême, suite à des courts-circuits locaux, engendrer des contaminations de la cathode par le métal anodique. Un autre inconvénient est qu'afin d'améliorer la miscibilité, on faisait jusqu'à présent fondre l'aluminium pur à affiner dans un four séparé, et on le mélangeait en- suite seulement au métal anodique par l'intermédiaire de l'avant-creu- set. De plus, le procédé connu ne pouvait être mis en oeuvre que de façon discontinue, car il fallait chaque fois attendre que l'aluminium pur alimenté soit réparti par pompage mécanique dans l'avant-creuset. La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients précités et d'indiquer un procédé ainsi qu'une installation qui per- mettent une alimentation continue d'aluminium pur, même en morceaux, dans le métal électrolytique, tout en évitant les courts-circuits et en se débarrassant continuellement des contaminations. L'invention atteint ce but, en matière de procédé, par le fait qu'au moins une électrode branchée en anode est plongée dans l'alliage anodique qui se trouve dans l'avant-creuset, une conduction de courant étant produite entre l'électrode et les cathodes de la cel- lule électrolytique. Selon des configurations supplémentaires préfé- rentielles du procédé selon l'invention, l'apport de courant est par- tagé en une première partie qui est apportée dans la cellule électro- lytique par l'intermédiaire du fond anodique et une deuxième partie qui est apportée par l'intermédiaire de l'électrode, la combinaison de la conduction de courant et du champ électrique qui s'établit dans la cellule électrolytique produisant une force qui engendre, dans l'avant- creuset, un mouvement métallique qui réalise le mélangeage; l'électrode est reliée électriquement à la barre anodique de la cel- lule électrolytique, et la partie du courant électrolytique qui est apportée par l'intermédiaire de l'électrode est suffisante pour pro- duire une fusion du métal alimenté par l'intermédiaire de l'avant- creuset et un mélangeage avec le métal anodique; une partie comprise entre 1 et 20 % du courant total de la cellule électrolytique est ap- portée comme courant anodique par l'intermédiaire de l'électrode; le courant apporté par l'intermédiaire de l'électrode est réglé entre 1,5 et 7,5 kA; l'aluminium à affiner est introduit sous la forme de mor- ceaux solides dans l'alliage anodique qui se trouve dans l'avant-creu- set; afin de commander l'apport de courant, on utilise des électrodes de différentes compositions de matériau; la commande du partage du courant s'effectue par le fait que l'électrode est disposée avec pos- sibilité de déplacement en direction verticale, un dispositif racleur étant passé contre l'électrode afin d'éliminer les crasses sur le dessous de l'électrode; l'électrode est réalisée sous la forme d'un corps moulé qui est constitué d'au moins un des matériaux suivants, carbone, graphite ou électrographite, la composition du corps moulé étant réglée en fonction du partage du courant et de la conductibilité entre les cathodes et l'électrode. En matière d'installation, le but fixé à l'invention est atteint par le fait qu'au moins une électrode est disposée dans l'avant-creuset, électrode qui est branchée en anode et reliée à la barre anodique en acier. Selon des configurations supplémentaires pré- férentielles de l'installation selon l'invention, le matériau de l'électrode est de l'électrographite, du graphite ou du carbone et l'enveloppe est réalisée en un matériau céramique, et la conductibi- lité du matériau de l'électrode est réglable; la profondeur d'immersion active de l'électrode est réglable; l'électrode est en- tourée d'une cloche de protection autoporteuse, étanche aux gaz et ré- sistante à la température, qui est mobile par rapport à l'électrode et dont la hauteur peut être modifiée afin d'éliminer les crasses de l'électrode; la distance entre le point le plus bas de l'électrode et l'extrémité inférieure de la cloche de protection est de 20 à 30 cm; la distance entre la face extérieure de l'électrode et la face inté- rieure de la cloche de protection est de i à 5 mm. L'idée essentielle de l'invention consiste à diriger une partie du courant électrolytique par l'avant-creuset dans le métal anodique. La combinaison de la conduction de courant avec le champ électrique du four produit alors une force qui engendre un mouvement métallique dans l'avant-creuset. Ce mouvement est, avec une conduction de courant appropriée, suffisant pour produire une fusion et un mélan- geage de l'aluminium pur introduit dans l'avant-creuset. Le courant apporté par l'intermédiaire de l'électrode 9 dans l'avantcreuset est égal à environ 1 à 20 % du courant total de la cellule électrolytique, et de préférence 10 à 15 %. Sur la base de nombreux essais, on a constaté qu'on pouvait introduire dans l'avant- creuset par l'intermédiaire de l'électrode 9 un courant de 1,5 à 7,5 kA, 3 à 6kA étant préférentiellement suffisants pour permettre une dissolution satisfaisante de l'aluminium, même en morceaux, dans l'avant- creuset. Le réglage du courant passant par l'électrode 9 peut être par exemple effectué au moyen des paramètres suivants: 1. modification de la conductibilité du matériau du raccord fileté, du garnissage monolithique ou de l'électrode en carbone, 2. modification de la section de l'électrode 9 ou de la surface active dans le métal anodique, 3. connexion ou déconnexion d'apports individuels de courant à la cathode ou à l'anode, 4. modification de l'appariement de matériaux graphite/cuivre/liant à base de résine synthétique, 5. modification de l'épaisseur de la couche de garnissage monolithique 19. Sur la base d'essais, il s'est avéré particulièrement ef- ficace d'utiliser comme matériau pour l'électrode 9 de l'électrographite à double imprégnation. Mais on peut aussi obtenir un apport suffisant de courant dans le métal anodique avec du graphite ou du carbone. Les limites à l'apport de courant par l'intermédiaire de l'électrode 9 sont définies par les conditions marginales suivantes: à moins de i %, la force agissant dans le métal anodique est insuf- fisante pour obtenir un mélangeage suffisant; à plus de 20% du courant total, on obtient des densités de courant qui doivent être limitées vers le haut si l'on veut obtenir une longévité suffisante. Dans une forme de réalisation préférentielle, l'électrode 9 présente un capot de protection qui doit empêcher la combustion. Ce capot est réalisé en un matériau céramique qui est étanche aux gaz et résistant à l'encontre d'un alliage anodique d'aluminium et de cuivre; on peut par exemple utiliser un carbure de silicium lié à du nitrure. Il s'est avéré particulièrement avantageux d'employer un mé- lange de carbure de silicium et de poudre de silicium recuite en atmosphère azotée. De temps en temps, il est important de nettoyer le dessous de l'électrode 9 des crasses constituées de débris d'aluminium calciné. C'est pourquoi l'électrode 9 devrait dépasser de l'enveloppe protectrice vers le bas, un déplacement vertical de l'électrode par rapport à l'enveloppe protectrice permettant alors un nettoyage ou encore un raclage. De plus, la conductibilité de l'électrode 9 doit être réglable afin de produire l'effet d'agitation ou encore le mélangeage intime souhaité dans le métal anodique. La configuration selon l'invention de la cellule électroly- tique à trois couches permet d'effectuer une alimentation automatique d'aluminium pur, même sous forme de morceaux, l'exploitation pouvant se dérouler de façon entièrement automatisée au moyen de mesures techniquement simples de régulation. On peut renoncer aux agitateurs mécaniques jusqu'alors né- cessaires, et les matériaux utilisés ainsi que la configuration de construction de l'électrode 9 garantissent une grande durée de vie. Les durées de service de l'électrode selon l'invention ont ainsi été nettement allongées. L'exposé qui suit décrit l'invention à l'aide de plusieurs exemples de réalisation et des dessins annexés, dans lesquels: la figure i représente, en coupe transversale, le schéma de principe de la cellule d'affinage électrolytique en trois couches selon l'invention, la figure 2 représente, en coupe transversale partielle, le schéma de principe d'une électrode d'avant-creuset configurée conformément à l'invention. On peut distinguer dans la cellule électrolytique 10 un habillage 1 en magnésite ainsi qu'un fond anodique 2 en carbone. L'apport du courant s'effectue côté anode par l'intermédiaire de la barre anodique 3 en acier et côté cathode par l'intermédiaire de cathodes 7 en graphite, qui sont suspendues à une barre cathodique appropriée. A l'intérieur de la cellule électrolytique se trouve l'aluminium de première fusion à affiner ou encore le métal anodique 4, qui est recouvert vers le haut par un électrolyte 5 en fusion. Le métal anodique 4 s'étend jusque dans l'avant-creuset 8, qui se raccorde en oblique au four électrolytique afin d'améliorer les conditions d'écoulement. Les anodes 11 et l'électrode 9 sont reliées à la barre ano- dique 3. On peut charger de l'aluminium en morceaux sur le côté de l'électrode 9, selon la flèche 12. L'aluminium affiné se dépose sous forme d'aluminium extra- pur 6 à l'interface électrolyte/cathode. Il peut être évacué de la chambre cathodique d'une manière connue. Le procédé selon l'invention permet, d'une manière avanta- geuse, de maintenir constant le niveau du bain dans la cellule élec- trolytique à trois couches, et ce avec une précision tellement grande qu'on peut compenser des fluctuations mêmes faibles par l'apport continu d'aluminium pur, de préférence en morceaux. Cela présente l'avantage surprenant que le procédé selon l'invention permet d'améliorer nettement le degré de pureté, attendu qu'il n'y a pas d'absorption d'impuretés provenant de l'habillage de la cellule élec- trolytique. Cela est particulièrement important pour l'électrolyse en trois couches, car les impuretés des couches respectives se déposent sur les parois de la cellule, de sorte qu'en cas de fluctuations du niveau du bain, il y a un risque que les impuretés soient à nouveau absorbées dans les couches d'aluminium déjà purifié. La figure 2 représente plus en détail la structure selon l'invention d'une électrode 9. On reconnaît le matériau 13 de l'électrode et l'enveloppe 14, qui est séparée du matériau 13 par un espace intermédiaire 17 qui contribue à l'isolation assurée par l'enveloppe. L'électrode 9 est en outre constituée du raccord fileté d'électrode 18 et d'une mince couche 19 de garnissage monolithique, qui entoure le raccord fileté 18 à l'intérieur de l'électrode en forme de manchon. De plus, l'enveloppe 14 est fixée au raccord fileté 18 dans sa partie supérieure, l'enveloppe 14 étant serrée contre une rondelle 22 au moyen d'un boulon 20 et d'un élément de recouvrement 21. Une garniture d'étanchéité 23 se trouve entre l'enveloppe 14 et le raccord fileté 18, garantissant ainsi un isolement étanche aux gaz de l'électrode vis- à-vis de l'air ambiant. La rondelle 22 est pressée contre les épaulements de butée 24 du raccord fileté 18. Afin d'améliorer la surface d'appui sur l'avant-creuset 8, il est prévu un élément 25 d'appui contre la paroi. Dans le même temps, cet élément 25 remplit également des fonctions d'étanchéité et sert de moyen de fixation pour l'appui de l'élément de recouvrement 21. Afin que la résistance dans l'électrode 9 reste faible, la distance entre le point le plus bas 15 de l'électrode 9 et le bord in- férieur 16 de l'enveloppe 14 doit être maintenue dans des limites don- nées. Une possibilité de réglage est fournie par l'assemblage mécanique du raccord fileté 18 à la barre d'électrode 29 par l'intermédiaire des boulons 26, 27, 28. La distance entre le bord in- férieur 16 et le point le plus bas 15 est de préférence comprise entre et 30 cm. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'affinage d'aluminium dans une cellule d'électrolyse par fusion en trois couches, l'apport du métal à affiner s'effectuant par l'intermédiaire d'un avant-creuset (8) qui contient un alliage anodique liquide, caractérisé en ce qu'au moins une élec- trode (9) branchée en anode est plongée dans l'alliage anodique qui se trouve dans l'avant-creuset (8), une conduction de courant étant pro- duite entre l'électrode (9) et les cathodes (7) de la cellule électrolytique. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'apport de courant est partagé en une première partie qui est ap- portée dans la cellule électrolytique par l'intermédiaire du fond ano- dique (2) et une deuxième partie qui est apportée par l'intermédiaire de l'électrode (9), la combinaison de la conduction de courant et du champ électrique qui s'établit dans la cellule électrolytique produi- sant une force qui engendre, dans l'avant-creuset (8), un mouvement métallique qui réalise le mélangeage. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'électrode (9) est reliée électriquement à la barre anodique (3) de la cellule électrolytique, et la partie du courant électroly- tique qui est apportée par l'intermédiaire de l'électrode (9) est suf- fisante pour produire une fusion du métal alimenté par l'intermédiaire de l'avant-creuset (8) et un mélangeage avec le métal anodique. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'une partie comprise entre 1 et 20 % du courant total de la cellule électrolytique est apportée comme courant anodique par l'intermédiaire de l'électrode (9). 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le courant apporté par l'intermédiaire de l'électrode (9) est réglé entre 1,5 et 7,5 kA. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que l'aluminium à affiner est introduit sous la forme de morceaux solides dans l'alliage anodique qui se trouve dans l'avant-creuset (8). 7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'afin de commander l'apport de cou- rant, on utilise des électrodes de différentes compositions de matériau. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que la commande du partage du courant s'effectue par le fait que l'électrode (9) est disposée avec possibi- lité de déplacement en direction verticale, un dispositif racleur étant passé contre l'électrode (9) afin d'éliminer les crasses sur le dessous de l'électrode (9). 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que l'électrode (9) est réalisée sous la forme d'un corps moulé qui est constitué d'au moins un des matériaux suivants: carbone, graphite ou électrographite, la composition du corps moulé étant réglée en fonction du partage du courant et de la conductibilité entre les cathodes (7) et l'électrode (9). 10.- Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé d'affinage d'aluminium dans une cellule d'électrolyse par fusion en trois couches, constituée d'un habillage en briques de magnésite (1), d'un fond anodique en carbone (2), d'une barre anodique en acier (3), de l'aluminium de première fusion (4) à affiner, d'un électrolyte en fusion (5), d'aluminium affiné (6), de cathodes en graphite (7) et d'au moins un avant-creuset (8), caractérisée en ce qu'au moins une électrode (9) est disposée dans l'avant-creuset (8), électrode qui est branchée en anode et reliée à la barre anodique en acier (3). 11.- Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le matériau de l'électrode (9) est de l'électrographite, du graphite ou du carbone et cq'une enveloppe (14) est réalisée en un matériau céramique, et en ce que la conductibilité du matériau de l'électrode (9) est réglable. 12.- Installation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la profondeur d'immersion active de l'électrode (9) est réglable. 13.- Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que l'électrode (9) est entourée d'une cloche de protection autoporteuse, étanche aux gaz et résistante à la température, qui est mobile par rapport à l'électrode (9) et dont la hauteur peut être mo- difiée afin d'éliminer les crasses de l'électrode (9). 14.- Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la distance entre le point le plus bas de l'électrode (9) et l'extrémité inférieure de la cloche de protection (16) est de 20 à cm. 15.Installation selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce que la distance entre la face extérieure (13) de l'électrode (9) et la face intérieure (14) de la cloche de protection (16) est de 1 à 5 mm.