Brevet FR2767144A1 — publié le 19990212

ANODE, PROCEDE POUR SA FABRICATION ET PROCEDE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM La présente invention concerne un nouveau matériau pour la fabrication d'anodes utilisées dans les procédés servant à la production électrolytique d'aluminium de première fusion. Plus spécifiquement, la présente invention concerne un nouveau type d'anode dont la composition comprend, à titre d'agent de liaison, de la mélasse de canne à sucre. Par conséquent, la présente invention concerne le remplacement du brai électrolytique habituellement employé dans des procédés conventionnels de fabrication d'anodes destinés à l'industrie de l'aluminium de première fusion. Le brai électrolytique est remplacé par de la mélasse de canne à sucre, pure ou munie d'additifs. Les techniques de l'industrie de l'aluminium sont connues depuis plus d'un siècle dans toutes les usines d'aluminium dans le monde entier, telles que, par exemple, le procédé de Hall-Heroult. A ces installations sont habituellement rattachées ce que l'on connaît sous le nom d'usines d'anodes, qui sont des éléments essentiels de ce type d'industrie. Le procédé de fabrication d'anodes actuellement utilisé comprend la production d'un mélange de coke de pétrole avec des anodes de réduction résiduelles connues sous le nom d'abouts, et de brai électrolytique qui est obtenu à partir du goudron. Les deux premiers ingrédients, c'est-à-dire le coke de pétrole et les anodes de réduction résiduelles, sont soumis à des opérations de broyage, de tamisage et de tri en fractions granulométriques spécifiques de façon qu'après leur mélange, ils puissent produire le degré de "tassement" maximal pouvant être obtenu dans le but d'une utilisation en tant qu'agent de liaison de petite taille et d'une obtention des meilleures propriétés mécaniques pour l'anode. Toutes les fractions mentionnées ci-dessus sont chauffées et ensuite mélangées au brai électrolytique. Cette opération est réalisée dans des mélangeurs en continu ou en discontinu par utilisation d'une plage de température allant de 800C à 3S00C, en fonction du procédé utilisé. Le résultat dc l'étape de mélange décrite ci-dessus est une boue qui peut être directement utilisée dans les cuves de réduction électrolytique quand l'aluminium est produit par le procédé Soderberg, pour produire l'anode requise pour le procédé de réduction. Ladite anode est produite par cuisson de ladite boue dans la chaleur des cuves de réduction qui fonctionnent à des températures allant de 9000C à 10000C. En variante, ladite boue peut aussi être comprimée ou compactée ou vibrocompactée dans des presses ou compacteurs convenables, avec ou sans vide, afin de produire des anodes crues qui sont habituellement conçues pour être utilisées dans le procédé connu sous le nom de procédé à précuisson. Toutefois, avant d'être utilisées dans le procédé de réduction à précuisson, lesdites anodes crues devraient être soumises à une cuisson dans des fours spéciaux qui peuvent être ouverts ou fermés. Dans ces fours, les anodes crues sont cuites à une température située dans la plage allant de 9000C à 12000C afin d'atteindre les propriétés physiques et chimiques requises pour être utilisées dans des fours pour la réduction d'alumine en aluminium de première fusion. L'homme du métier sait aussi que pendant le procédé pour la préparation de la boue anodique mentionnée ci-dessus destinée au procédé Soderberg, ainsi que pendant le procédé pour la cuisson des anodes crues pour le procédé à précuisson, des composants aromatiques sont libérés du brai électrolytique et, en dépit du fait que leur proportion est inférieure aux limites définies par les réglementations d'un certain nombre de pays, ils sont néfastes par inhalation ou contact, et le résultat est un environnement nocif. Un autre inconvénient typique de l'utilisation de brai électrolytique est que puisqu'il est sous forme solide, de la poussière est générée et, souvent, les opérateurs de l'installation sont brûlés par exposition de la peau au contact de la poussière sous le soleil. Lesdites brûlures sont considérées comme étant très graves. Un autre inconvénient de l'utilisation de brai électrolytique solide concerne la saleté générée sur le site de l'usine et les problèmes fréquents aux ports de navigation lors de la manipulation du brai électrolytique qui est habituellement transporté par des bateaux. A titre de tentative pour minimiser les inconvénients mentionnés cidessus, on a utilisé des systèmes basés sur le traitement gazeux en association ou non avec des systèmes efficaces de dépoussiérage. Egalement pour minimiser lesdits inconvénients, on a essayé de remplacer le brai électrolytique solide par un brai électrolytique liquide. Toutefois, ces solutions ne sont pas entièrement efficaces et demandent des coûts d'investissement très élevés. Par conséquent, un objet de la présente invention est de proposer un nouveau matériau d'anode à utiliser dans des procédés pour la production électrolytique d'aluminium de première fusion, matériau qui ne va pas engendrer d'environnement insalubre pendant les opérations de préparation de la boue anodique et/ou pendant les opérations de cuisson. Un autre objet de la présente invention est de proposer un nouveau matériau d'anode à utiliser dans des procédés pour la production électrolytique d'aluminium de première fusion, procédé de production qui ne va pas produire de saleté sur le site de l'usine et qui va surmonter les problèmes fréquents de manipulation de la matière première destinée à la fabrication desdites anodes, qui se posent dans les ports de navigation. Un autre objet de la présente invention est de proposer un nouveau matériau d'anode à utiliser dans des procédés pour la production électrolytique d'aluminium de première fusion, matériau qui n'engendre aucun dommage à la santé des opérateurs. Un autre objet de la présente invention est de proposer un nouveau matériau d'anode à utiliser dans des procédés pour la production électrolytique d'aluminium de première fusion, procédés qui ne soient pas agressifs vis-à-vis de l'environnement proche de la zone de production. Encore un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé pour la production électrolytique d'aluminium de première fusion qui ne nécessite pas de systèmes de traitement gazeux et/ou de dépoussiérage sophistiqués dans les usines d'anodes, de façon que la réalisation du procédé dans son entier soit rentable du point de vue du coût. Ces objets et avantages de la présente invention, ainsi que d'autres, sont atteints par l'utilisation de mélasse de canne à sucre, pure ou munie d'additifs, à titre d'agent de liaison dans la fabrication d'anodes utilisées dans des procédés pour la production électrolytique d'aluminium de première fusion. Ladite mélasse de canne à sucre, pure ou munie d'additif, est utilisée à la place du brai électrolytique solide ou liquide traditionnel. Dans le cadre de la présente invention, l'expression "mélasse de canne à sucre" signifie le miel principal (sirop) pour la production de mélasse ou les déchets de production du sucre. La présente invention se rapporte à une anode à utiliser dans la production électrolytique d'aluminium de première fusion, caractérisée en ce que de la mélasse de canne à sucre est utilisée en tant qu'agent de liaison des composants de celle-ci. L'anode selon la présente invention, est caractérisée en ce que la mélasse de canne à sucre présente un indice Brix réfractométrique d'environ 75 à 83 %, un indice Pol d'environ 37 à 63 %, une pureté d'environ 50 à 75 %, une teneur en sucres réducteurs d'environ 3 à 10 %, et une teneur en cendres conductrices d'environ 6 à 10 /O. Selon un mode de réalisation, l'anode est caractérisée en ce que la mélasse de canne à sucre présente un indice Brix réfractométrique d'environ 75 à 83 %, un indice Pol d'environ 30 à 63 %, une pureté d'environ 40 à 75 %, une teneur en sucres réducteurs d'environ 3 à 35 %, et une teneur en cendres conductrices d'environ 6 à 10 %. L'anode selon la présente invention, est caractérisée en ce que la mélasse de canne à sucre présente une teneur maximale en impuretés telles que le fer, le silicium, le nickel, le vanadium, le sodium et le calcium, d'environ 400 ppm. L'anode selon l'invention, est caractérisée en ce que le coke de pétrole a une masse volumique apparente d'environ 0,8 à 0,9 g/cm3, une masse volumique réelle d'environ 1,9 à 2,1 g/cm3, une teneur en matières volatiles d'environ 0,1 à 0,5 %, une teneur en cendres d'environ 0,1 à 0,6 %, et une teneur en humidité d'environ 0 à 0,3 %. L'anode selon l'invention, est caractérisée en ce que le coke de pétrole présente une teneur maximale en impuretés telles que le fer, le silicium, le nickel, le vanadium, le sodium et le calcium, d'environ 500 ppm, et une teneur en soufre d'environ 3,0 O/o. Selon l'invention, l'anode est caractérisée en ce que lesdites caractéristiques peuvent apparaître individuellement ou simultanément. La présente invention se rapporte également à un procédé pour la fabrication d'aluminium, caractérisé en ce qu'une anode telle que définie cidessus est utilisée dans des cuves de réduction électrolytique. Elle se rapporte aussi à un procédé pour la production d'aluminium, caractérisé en ce qu'une anode fabriquée selon le procédé défini ci-dessus, est utilisée en tant qu'anode dans des cuves de réduction électrolytique. La présente invention se rapporte en outre à un procédé pour la fabrication d'aluminium, caractérisé en ce que l'anode est sous la forme d'une boue ou bien est comprimée ou compactée ou vibrocompactée sous la forme d'anodes crues. A titre d'additifs dans la présente invention, on peut mentionner des substances à base de lithium, fluor, alumine, bore, soufre et leurs mélanges, du moment que ces additifs n'ont pas des propriétés et performances similaires à celles présentées par les anodes produites à partir de brai électrolytique, ou proches de celles-ci. La technique pour utiliser de la mélasse de canne à sucre en tant qu'agent de liaison pour préparer la boue et l'anode crue selon la présente invention est similaire à celle de procédés traditionnels pour produire des anodes à base de brai électrolytique, qui est largement connue dans l'industrie de l'aluminium. Toutefois, la proportion de coke, d'abouts et de mélasse de canne à sucre est variable, tout comme d'autres conditions du procédé telles que la température de mélange, la température de cuisson et le temps, qui vont varier en fonction du type de coke, de la mélasse elle-même, des additifs et/ou des propriétés requises pour l'anode devant être produite. Ainsi, la composition de l'anode selon la présente invention comprend d'environ 50 à 70 % en poids de coke de pétrole, de 15 à 30 % en poids d'abouts et de 15 à 25 % en poids de mélasse de canne à sucre. De préférence, le pourcentage de mélasse de canne à sucre utilisée dans la composition d'anode selon la présente invention est d'environ 18 % en poids par rapport au poids total de la composition. En variante, selon la présente invention, les additifs, les substances à base de lithium, fluor, aluminium, alumine, bore, soufre et leurs mélanges, peuvent être incorporés en des pourcentages variant d'environ 0 à 10 % en poids. Selon la présente invention, le procédé pour la fabrication d'anodes comprend la préparation d'un mélange contenant du coke de pétrole, des anodes de réduction résiduelles et de la mélasse de canne à sucre. Le coke de pétrole et les anodes résiduelles sont broyés, tamisés et triés en fractions granulométriques spécifiques. Les fractions granulométries ainsi obtenues sont chauffées et mélangées avec la mélasse de canne à sucre dans des mélangeurs en continu ou en discontinu, à une température située dans la plage allant de 100"C à 2500C. De préférence, la température est d'environ 155 C. Le temps de mélange va dépendre du type et de la capacité de l'équipement de mélange utilisé dans le procédé. I,e produit de ce mélange est une boue qui peut être utilisée directement dans des cuves de réduction électrolytique, ou bien comprimée ou compactée ou vibrocompactée dans des presses ou compacteurs appropriés, avec ou sans vide, afin de produire des anodes crues. Lesdites anodes crues peuvent ensuite être soumises à une cuisson dans des fours spéciaux à une température située dans la plage allant de 8000C à 13000C et pour une durée allant de 70 à 200 heures. De préférence, la température de cuisson est d'environ 11000C. La boue obtenue comme indiqué ci-dessus peut être utilisée directement dans le procédé Soderberg, tandis que les anodes crues peuvent être utilisées dans le procédé à précuisson après avoir été cuites. Selon la présente invention, la composition caractéristique de la mélasse de canne à sucre à utiliser dans la composition d'anode a de préférence les caractéristiques présentées dans le Tableau I ci-dessous, qui peuvent être présentes individuellement ou simultanément. Tableau 1 Paramètre Plage Unité Degré Brix réfractométrique 75 à 83 Pol 37 à 63 Pureté 50 à 75 Sucres réducteurs 3à10 Cendres conductrices 6 à 10 Impuretés Fer 200 maxi ppm Silicium 250 maxi ppm Nickel Traces Vanadium 150 maxi ppm Calcium 200 maxi ppm Sodium 100 maxi ppm ppm = parties par million maxi = maximum Pol = teneur en saccharose Selon la présente invention, la composition caractéristique du coke de pétrole à utiliser dans la composition d'anode a de préférence les caractéristiques présentées dans le Tableau II ci-dessous, qui peuvent être présentes individuellement ou simultanément. Tableau Il Paramètre | Plage Unité Masse volumique apparente 0,8 à 0,9 g/cm3 Masse volumique réelle 1,9 à 2,1 g/cm3 Matières volatiles 0,1 à 0,5 % Cendres 0,1 à 0,6 Humidité O à 0,3 Impuretés Fer 400 maxi ppm Silicium 300 maxi ppm Nickel 300 maxi Vanadium 400 maxi ppm Sodium 200 maxi ppm Calcium 300 maxi ppm Soufre 3,0 maxi O/o ppm = parties par million maxi = maximum L'exemple suivant montre les conditions d'un mode de réalisation préféré de la présente invention. Toutefois, ledit exemple ne devrait pas être considéré comme limitant le cadre et les conditions ici décrites ci-dessus et revendiquées. EXEMPLE On a effectué des essais de laboratoire comparatifs afin d'atteindre les meilleurs paramètres possibles à utiliser comme référence dans le procédé industriel pour la production d'anodes précuites destinées à l'industrie de l'aluminium de première fusion. Les conditions de la composition d'anode et le procédé pour sa fabrication ont été modifiés en fonction des expériences. Les expériences ont été réalisées dans un équipement à l'échelle du laboratoire disponible chez R.D.C. 5 kg de boue ont été produits dans chaque expérience, ce qui équivaut à la fabrication de 14 anodes pesant chacune 340 g. La composition moyenne de la mélasse de canne à sucre utilisée dans la composition d'anode dans les expériences est la suivante Pureté : 41,3 % Indice Brix réfractométrique: 78,3 % Pol : 32,3 S, Sucres réducteurs: 32,4 % Les caractéristiques opératoires conduisant aux meilleurs résultats sont les suivantes Concentration de mélasse de canne à sucre : 18 à 20 % Température de mélange: 135 à 1550C Température de cuisson : 1 1000C Les anodes de la présente invention ont été comparées à des anodes conventionnelles utilisant du brai électrolytique à titre d'agent de liaison. Les résultats sont présentés dans le Tableau III ci-dessous. Tableau III De l'invention (mélasse) Conven tionnelle (brai) 18%, 18%, 20%, 14,5%, Paramètre TI=4h Tri=20 TI = 20 TI = 20 h h h Masse volumique apparente 1,583 1,607 1,610 1,577 (crue), g/cm3 Masse volumique apparente 1,442 1,446 1,471 1,530 (cuite), g/cm3 Masse volumique réelle, 2,093 2,089 2,090 2,125 g/cm3 Résistance mécanique, 318 224 209 263 kgf/cm2 Résistivité électrique, 8,583 8,738 7,541 7,995 p.ohm.cm Perméabilité à l'air, nPm 1,563 1,582 1,401 1,982 Conductivité thermique, 2,12 2,16 2,10 2,1 w/mok Résistivité à l'air résiduel, % 55,7 69,5 68,9 71,6 Réactivité au C02 résiduel, 58,2 57,5 65,4 81,5 Tl = Temps d'immersion à la température de cuisson, en heures Crue = anode crue Cuite = anode cuite Selon les données ci-dessus, on peut voir que les caractéristiques de l'anode selon la présente invention sont similaires à celles du schéma habituel pour ce type d'électrode contenant du brai. De plus, on a pu voir une forte amélioration des propriétés lors d'essais subséquents qui comprennent la recherche d'optimisation dc la présente invention. Par conséquent, comme on peut le voir dans la description qui précède, comme la mélasse de canne à sucre est un produit naturel, et grâce à l'application de l'anode de l'invention au procédé de production d'aluminium, tous les problèmes mentionnés ci-dessus concernant la santé des personnes et l'environnement, engendrés par l'utilisation de brai électrolytique, sont maintenant définitivement éliminés dans l'industrie de l'aluminium, et, par ailleurs, les coûts nécessaires à la mise en oeuvre, au fonctionnemcnt et à la maintenance de systèmes de traitement de gaz et de poussière dans des usines d'anodes sont évités. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Une anode à utiliser dans la production électrolytique d'aluminium de première fusion, caractérisée en ce que de la mélasse de canne à sucre est utilisée en tant qu'agent de liaison des composants de celle-ci. 2.- Une anode selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une composition constituée d'environ 50 à 70 % en poids de coke de pétrole, de 15 à 30 % en poids d'abouts, et de 15 à 25 % en poids de mélasse de canne à sucre. 3.- Une anode selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend de préférence environ 18 % en poids de mélasse de canne à sucre. 4.- Une anode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des additifs à base de lithium, fluor, aluminium, alumine, bore, soufre ou leurs mélanges. 5.- Une anode selon la revendication 4, caractérisée en ce que la proportion d'additif est d'environ 0 à 10 % en poids. 6.- Une anode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la mélasse de canne à sucre présente un indice Brix réfractométrique d'environ 75 à 83 %, un indice Pol d'environ 37 à 63 %, une pureté d'environ 50 à 75 %, une teneur en sucres réducteurs d'environ 3 à 10 %, et une teneur en cendres conductrices d'environ 6 à 10 %. 7.- Une anode selon la revendication 6, caractérisée en ce que la mélasse de canne à sucre présente un indice Brix réfractométrique d'environ 75 à 83 %, un indice Pol d'environ 30 à 63 %, une pureté d'environ 40 à 75 %, une teneur en sucres réducteurs d'environ 3 à 35 %, et une teneur en cendres conductrices d'environ 6 à 10%. 8.- Une anode selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la mélasse de canne à sucre présente une teneur maximale en impuretés telles que le fer. le silicium, le nickel, le vanadium, le sodium et le calcium, d'environ 400 ppm. 9.- Une anode selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le coke de pétrole a une masse volumique apparente d'environ 0,8 à 0,9 g/cm3, une masse volumique réelle d'environ 1,9 à 2,1 g/cm3, une teneur en matières volatiles d'environ 0,1 à 0,5 %, une teneur en cendres d'environ 0,1 à 0,6 %, et une teneur en humidité d'environ 0 à 0,3 %. 10.- Une anode selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisée en ce que le coke de pétrole présente une teneur maximale en impuretés telles que le fer, le silicium, le nickel, le vanadium, le sodium et le calcium, d'environ 500 ppm, et une teneur en soufre d'environ 3,0 %. 11.- Un procédé pour la fabrication d'une anode selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que ce procédé comprend la préparation d'un mélange contenant du coke de pétrole, des anodes de réduction résiduelles ou abouts, et de la mélasse de canne à sucre le broyage, le tamisage et le tri du coke de pétrole et des abouts; le chauffage de fractions triées dans un mélange avec de la mélasse de canne à sucre à une température située dans la plage allant de 100"C à 250"C. 12.- Un procédé pour la fabrication d'une anode selon la revendication 11, caractérisé en ce que la température de chauffage du mélange est d'environ 155"C. 13.- Un procédé pour la fabrication d'une anode selon la revendication 1 1 ou 12, caractérisé en ce que le produit dudit mélange chauffé est une boue qui peut être directement utilisée dans des cuves de réduction électrolytique ou qui peut être comprimée ou compactée ou vibrocompactée dans des presses ou compacteurs appropriés, avec ou sans vide, afin de produire des anodes crues. 14.- Un procédé pour la fabrication d'une anode selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdites anodes crues sont soumises à une cuisson dans des fours spéciaux à une température située dans la plage allant de 800"C à 1300"C. 15.- Un procédé pour la fabrication d'une anode selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que lesdites anodes crues sont cuites pendant un laps de temps allant de 70 à 200 heures. 16.- Un procédé pour la fabrication d'une anode selon la revendication 13, caractérisé en ce que la température de cuisson des anodes crues est d'environ 1 l000C. 17.- Un procédé pour la fabrication d'aluminium, caractérisé en ce qu'une anode telle que définie dans l'une des revendications 1 à 10 est utilisée dans des cuves de réduction électrolytique. 18.- Un procédé pour la production d'aluminium, caractérisé en ce qu'une anode fabriquée selon le procédé défini dans l'une des revendications 11 à 16 est utilisée en tant qu'anode dans des cuves de réduction électrolytique. 19.- Un procédé pour la fabrication d'aluminium selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce que l'anode est sous la forme d'une boue ou bien est comprimée ou compactée ou vibrocompactée sous la forme d'anodes crues.