Brevet FR2724282A1 — publié le 19960308

ELECTRODE CARBONEE COMPOSITE A AUTOCUISSON Domaine technique L'invention concerne le domaine des électrodes carbonées à autocuisson , appelées également électrodes SODERBERG, pour four électrique à arc ou cuve d'électrolyse ignée et, plus spécialement, des électrodes pour fours de réduction carbothermique, tels que les fours de production de silicium métallurgique. Etat de la technique Le principe des électrodes à autocuisson, qui consiste à introduire une pâte carbonée crue dans le four à l'intérieur d'une virole cylindrique et à cuire progressivement cette pâte de manière continue au fur et à mesure de sa descente dans le four, est connu depuis le brevet déposé en 1917 par C.W. SODERBERG, G. SEM et J. WESTLY au nom de la société Det Norske Aktieselskap for Elektrokemisk Industri (correspondant à FR 488778) Cette technique aujourd'hui largement utilisée conduit à constituer des électrodes continues qui contiennent, si on ne fait rien pour l'éviter, environ 2,5% de fer provenant de la virole en acier et qui risque de polluer le produit fabriqué. Pour constituer des électrodes continues à teneur réduite en fer, plusieurs solutions ont été proposées, qui consistent toutes à désolidariser mécaniquement l'électrode et sa virole, de façon à pouvoir glisser l'électrode sans devoir allonger d'autant la virole. On utilise alors, au lieu de la virole munie d'ailettes pour le soutien de l'électrode prévue dans le dispositif initial, une virole lisse sans ailettes. Cette disposition a d'ailleurs été testée dès 1917 par ELEKTROKEMISK dans l'usine d'Arendal (cf. G. SEM "The conception and birth of the Sôderberg Electrode" in Soderberg Electrode 75 Year Anniversary Seminar, Kristiansand, 6-8 juin 1994). La suppression des ailettes ne permettant plus de supporter le poids de l'électrode par l'intermédiaire de la virole, comme dans le montage Sôderberg classique, on a proposé diverses solutions pour supporter le poids de l'électrode par une pièce insérée dans la pâte cuite. Pour les anodes de cuves d'électrolyse de l'aluminium utilisant la technique Sôderberg, on utilise des goujons en fer, fixés aux tiges d'arrivée de courant et scellés dans la pâte, que l'on arrache périodiquement et que l'on repositionne plus haut dans la pâte en cours de cuisson, pour tenir compte de la consommation de l'anode. Pour les électrodes de fours à arc, le brevet italien 606568 déposé en 1959 par la société EDISON propose de supporter l'électrode par un ruban d'acier noyé dans la pâte. Les brevets EP 281262 et EP 327741 de GLOBE METALLURGICAL prévoient un conducteur tubulaire central de faible section également en acier. Dans le brevet US 4575856 de J.A. PERSSON délivré le 11/03/1986, la pièce de support est une colonne centrale de faible diamètre en graphite ou carbone précuit constituée d'éléments assemblés par des nipples. La demande de brevet français FR 2683421 déposée par CARBUROS METALLICOS revendique diverses adaptations de cette technique. Probldme posé Pour obtenir des électrodes à autocuisson avec un apport minime de fer, il faut à la fois: - supporter le poids de l'électrode - faire glisser et contrôler le glissement de l'électrode dans la virole - cuire la pâte Sôderberg à une vitesse suffisante pour compenser l'usure de l'électrode. Dans le montage décrit par les brevets US 4575856 ou FR 2683421 mentionnés plus haut, la colonne centrale en graphite est soutenue par une pince en acier qui permet en outre de faire glisser et de contrôler le glissement de l'électrode en relâchant progressivement les vérins hydrauliques soutenant la colonne. Cette solution présente certains inconvénients. En effet, la masse de carbone mise en oeuvre par exemple dans une électrode de four électrique de 20MW, pour un diamètre de 1,25 m, est d'environ 12 t, alors que le diamètre envisagé pour la colonne centrale en graphite est d'environ 450 mm. I1 faut donc serrer fortement la pince sur la colonne centrale pour éviter tout glissement incontrôlé de l'une par rapport à l'autre. Ce serrage a tendance à détériorer la surface de la colonne, alors que celle-ci est déjà très fortement sollicitée en traction. Les risques de rupture de la colonne sont importants, d'autant qu'il faut fréquemment reserrer la pince pour la repositionner plus haut sur la colonne. Or, la technique proposée ne prévoit aucun moyen de reconstituer une électrode en cas de rupture de la colonne centrale. Objet de l'invention L'objet de l'invention est une électrode à autocuisson pour four électrique ou pour cuve d'électrolyse ignée présentant un moindre risque de rupture en cours d'exploitation. Cette électrode, constituée d'une virole métallique cylindrique, d'une pièce de support centrale et d'une pâte carbonée introduite au sommet de la virole dans l'espace entre celle-ci et la pièce de support centrale et qui est cuite progressivement au cours de sa descente dans la cuve ou le four, se caractérise par le fait que l'intérieur de la virole est placé sous pression réduite comprise entre 0,4 et 0,9 at. La pièce de support centrale peut être une colonne constituée d'éléments unitaires assemblés en carbone précuit ou en graphite. Ce peut être également une tige métallique insérée en position axiale dans la pâte, par exemple en acier ou en cuivre et en forme de tube ou de goujon cylindrique, et qui peut être perdue, c'est à dire qu'elle est consommée avec l'électrode. L'enfoncement de la tige peut être utilisé comme indicateur pour mesurer le glissement de l'électrode par rapport à la virole. Description de l'invention Pour résoudre le premier problème mentionné précédemment, c'est-à-dire supporter le poids de l'électrode tout en utilisant une virole lisse, la demanderesse a eu l'idée originale de partager l'effort entre d'une part une pièce de support centrale, qui peut être l'une de celles décrites dans les brevets de l'art antérieur, ou s'inspirer de la technique des goujons utilisés dans l'électrolyse de l'aluminium avec anodes Soderberg, et d'autre part en recourant à un vide partiel à l'intérieur de la virole. Le poids apparent d'une électrode est sensiblement inférieur à son poids réel, sans doute à cause des frottements et des collages qui se produisent entre l'électrode et la virole, bien que celle-ci soit lisse. Ainsi, pour une électrode de four électrique de diamètre 1,25 m, dont le poids réel est de 120000 N, on n' a mesuré sur les vérins supports qu'un effort d'environ 75000 N, soit les 2/3 du poids réel. Par ailleurs, on ne peut pas réaliser un vide trop poussé à l'intérieur de la virole, car il faudrait prévoir une virole très épaisse, donc très lourde, et d'autre part on risquerait de provoquer une distillation des liants de la pâte. Pour cette raison, on ne descend pas en dessous de 0,4 at. Avec ainsi une pression réduite comprise entre 0,4 et 0,9 at, on peut, pour l'électrode de four mentionnée ci-dessus et pour une épaisseur de virole en acier comprise entre 3 et 6 mm, réduire dans pratiquement tous les cas l'effort sur la pièce de support centrale à moins de 60000 N. Par exemple, pour une électrode de diamètre 1,25 m et de poids 120000 N, une virole d'épaisseur 5 mm et une pression réduite à l'intérieur de celle-ci à 0,65 at, le poids apparent est réduit de 75000 à seulement 38000 N, soit de moitié. La pièce de support centrale peut etre l'une de celles mentionnées dans les brevets indiqués ci-dessus comme art antérieur, c'est-à-dire un ruban d'acier, une pièce tubulaire ou une colonne formée d'éléments en graphite ou en carbone précuit comme dans le brevet US 4575856. On peut également s'inspirer des anodes Soderberg utilisées pendant de nombreuses années dans les cuves d'électrolyse de l'aluminium. Ces anodes étaient formées à partir de pâte dans une virole lisse en laissant filer avec la pâte une série de goujons en fer servant à la fois à tenir l'électrode et à en contrôler le glissement. A intervalles réguliers, on arrachait les goujons trop enfoncés pour les repositionner plus haut tout en conservant le contrôle de l'électrode au moyen des autres goujons. Si on veut adapter cette technique aux électrodes de four électrique, qui sont plus longues et plus étroites que celles des cuves d'électrolyse, il n'est guère envisageable d'utiliser un grand nombre de goujons, ni d'arracher ces goujons, les efforts à fournir en torsion et en traction étant beaucoup trop importants.Pour cette raison, on n'utilise qu'un seul goujon perdu placé en position axiale, assurant un maintien partiel de l'électrode, en coopération avec la dépression imposée à l'intérieur de la virole. Ce goujon perdu unique, même s' il est en acier, ne contribue que de manière négligeable à l'apport en fer dans le produit fabriqué. Ainsi, pour l'électrode de four électrique pour la fabrication du silicium décrite en exemple plus haut, un goujon perdu en acier à 13% de chrome et 0,03% de carbone de diamètre 24 mm n'apporte que 0,16% de fer et 0,02% de chrome dans l'électrode, soit environ 0,016% de fer et 0,002% de chrome pour une consommation d'électrode de l'ordre de 100kg à la tonne de silicium. On peut encore réduire le poids apparent de l'électrode en utilisant pour l'intérieur de la virole un état de surface antidérapant qui permet d' accroître la friction à l'interface virole-pâte. Par exemple, la face interne de la virole peut porter une empreinte en écailles, analogue à celle des skis de fond à écailles. Une telle disposition permet de diminuer la taille de la pièce de support centrale, par exemple la section du goujon perdu dans le cas évoqué ci-dessus. En liaison avec l'électrode selon l'invention, on utilisera avantageusement des plaques de contact fonctionnant à température > 100"C et de préférence entre 300 à 350"C grâce à un choix judicieux des matériaux et un mode de refroidissement plus adapté que le refroidissement par circulation d'eau. De telles plaques de contact sont décrites dans la demande de brevet FR 2697398 de la demanderesse. Description détaillée d'un Ponde de réalisation Cette description se fera en référence à la figure unique représentant une coupe axiale d'une électrode pour four électrique selon l'invention. Comme pour une électrode Sôderberg classique, l'électrode (1) est ceinturée d'une virole (2) cylindrique en acier, solidaire d'un châssis (3), lui-même suspendu à la charpente du bâtiment du four au moyen de vérins (4) permettant de mouvoir la virole selon un axe vertical. Les plaques de contact (5) servant à l'amenée du courant à l'électrode (1) sont également solidaires du châssis (3). Les efforts mécaniques nécessaires pour soutenir l'électrode (1) proprement dite sont transmis au châssis (3) par les vérins (6). La virole (2) est tenue par une ceinture de coussins gonflables (7) et par un couvercle étanche (8), qui sont mécaniquement solidaires et suspendus au châssis (3) par les vérins (6) qui permettent de glisser la virole (2) à travers les plaques de contact (5). L'intérieur de la virole (2) est mis en dépression par un tube d'aspiration (9) à travers le couvercle (8). La colonne centrale (10), constituée d'éléments en graphite assemblés par des nipples (11), est accrochée au châssis (3) par l'intermédiaire de vérins (12) au moyen d'une pièce en acier (13) constituée d'un nipple venant se visser sur l'élément supérieur de la colonne (10) et d'un manchon extérieur ceinturant l'extrémité supérieure de la colonne (10). La pression absolue fixée à l'intérieur de la virole (2) permet de répartir les efforts entre les vérins (6) et (12) et donc de régler à une valeur prédéterminée l'effort supporté par la colonne (10). L'électrode (1) est alimentée en pâte par une ouverture (14) à partir d'un conteneur maintenu à la pression de l'intérieur de la virole (2). L'électrode se forme par cuisson de la pâte qui traverse progressivement la zone fondue (15). Pour glisser l'électrode (1) seule sans sa virole (2), on laisse remonter progressivement la pression à l'intérieur de la virole (2) en limitant la pression d'huile sur les vérins (6) pour maintenir constant l'effort sur la colonne (10). Pour faire glisser la virole (2), on effectue un glissement synchronisé de l'électrode (1) et de sa virole (2) en forçant le glissement de la virole (2) dans les plaques de contact (5) au moyen des vérins (6). Pour ajouter une virole neuve sur l'électrode, on augmente momentanément l'effort de serrage sur les plaques de contact (5) en montant par exemple la pression de l'eau de refroidissement de 4 à 10 bars dans le cas de plaques à serrage hydraulique, ce qui permet, pendant la durée de l'opération, de soutenir le poids de l'électrode (1) uniquement par la colonne (10) et les plaques (5). On allonge alors la virole (2) en soudant, au sommet de la virole en place, un élément ouvert suivant une génératrice. Une fois la soudure terminée, on reprend le régime normal, car on ne peut opérer en régime permanent avec des plaques de contact (5) serrées à 10 bars sans risquer progressivement d'enfoncer les plaques (5) dans l'électrode (1), ce qui se traduirait par des difficultés de glissement. Pour une électrode Sôderberg classique, on connait la vitesse de glissement compatible avec la vitesse de cuisson de la pâte en opérant, selon une pratique établie, des glissements unitaires de l'ordre de 50 mm. On peut augmenter cette vitesse de glissement d'environ 20% en réduisant les glissements unitaires de 50 à 10 mm. Exemples Exemple 1 Sur un four de 20 MW destiné à la production de silicium, équipé de 3 électrodes de 1,25 m de diamètre, a été installée une électrode composite à autocuisson comportant une colonne centrale en graphite de diamètre 0,5 m constituée d'éléments assemblés par des nipples et dont l'élément supérieur est soutenu par une pièce en acier en forme de nipple. Cet équipement a permis de faire deux constatations inattendues: - pour une masse de carbone de 12000 kg formant l'électrode, le poids apparent, mesuré à partir de la pression d'huile dans les vérins, était seulement de 75000 N, - avec 20 MW et 75 kA sur l'électrode, on pouvait avoir une vitesse de glissement de 760 mm/jour sans incident, et ce pratiquement en régime permanent à condition d'opérer par glissements unitaires de 10 mm. Ex plue 2 L'électrode de l'exemple précédent a été équipée d'une virole en acier de 5 mm d'épaisseur, d'un couvercle étanche et d'un moyen de pompage régulé pour maintenir l'intérieur de la virole en dépression. On a fait ensuite travailler cette électrode en régulant la pression à l'intérieur de la virole à 0,7 at et l'on a constaté, d'une part que la cuisson de l'électrode n'était pas perturbée, et d'autre part que son poids apparent, calculé à partir de la pression d'huile mesurée sur les vérins, n'était plus que de 45000 N. Exemple 3 On a repris le montage et les conditions opératoires de l'exemple 2 en utilisant, à la place de la colonne en graphite, un goujon en acier à 13% de chrome et 0,03% de carbone, constitué d'un tube perdu de diamètre 50 mm et d'épaisseur 3 mm, apportant 0,3% de fer dans l'électrode. On a constaté que ce tube suffisait à soutenir le poids apparent de l'électrode, soit 45000 N, mais était insuffisant pour le faire si on ne mettait pas en dépression l'intérieur de la virole. REVENDICATIONS 1) Electrode (1) à autocuisson pour four électrique ou cuve d'électrolyse ignée, constituée d'une virole métallique cylindrique (2), d'une pièce de support centrale (10) et d'une pâte carbonée introduite au sommet de la virole (2) dans l'espace entre celle-ci et la pièce de support centrale (10) et qui est cuite progressivement au cours de sa descente dans le four ou la cuve, caractérisée en ce que l'intérieur de la virole (2) est placé sous pression réduite, comprise entre 0,4 et 0,9 at. 2) Electrode (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pièce de support centrale (10) est une colonne constituée d'éléments unitaires assemblés en carbone précuit ou en graphite. 3) Electrode (1) selon la revendication 2, caractérisée en ce que les éléments sont assemblés par des nipples (11) et que l'élément supérieur est soutenu au moyen d'une pièce (13) comportant un filetage identique à celui des nipples (11) vissée sur cet élément supérieur. 4) Electrode (1) selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la pièce de support centrale (10) est une tige métallique insérée dans la pâte en position axiale. 5) Electrode (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que la tige est cylindrique. 6) Electrode (1) selon la revendication 4, caractérisée en ce que la tige est tubulaire. 7) Electrode (1) selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la tige est perdue. 8) Electrode (1) selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la tige est en acier. 9) Electrode (1) selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la tige est en cuivre. 10) Electrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les plaques de contact (5) servant à l'amenée de courant sur l'électrode fonctionnent à température > 100"C. 11) Utilisation d'une électrode (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 pour la fabrication de silicium par carbothermie au four électrique.