Brevet FR2789092A1 — publié le 20000804

La présente invention a pour objet une cathode graphite pour l'électrolyse de l'aluminium. Dans le procédé électrolytique utilisé dans la plupart des usines de production d'aluminium, une cuve d'électrolyse comprend, dans un caisson métallique gainé de réfractaires, une sole cathodique composée de plusieurs blocs cathodiques juxtaposés. Cet ensemble constitue le creuset qui, rendu étanche par de la pâte de brasque, est le siège de la transformation, sous l'action du courant électrique, du bain électrolytique en aluminium. Cette réaction a lieu a une température supérieure en général à 950 C. Pour o10 résister aux conditions thermiques et chimiques prévalant lors du fonctionnement de la cuve et satisfaire à la nécessité de conduction du courant d'électrolyse, le bloc cathodique est fabriqué à partir de matériau carboné. Ces matériaux vont du semi-graphitique au graphite. Ils sont mis en forme par extrusion ou par vibrotassage après malaxage des matières premières: e soit un mélange de brai, d'anthracite calciné et/ou de graphite dans le cas des matériaux semi-graphitiques et graphitiques. Ces matériaux sont ensuite cuits à environ 1 200 C. La cathode graphitique ne contient pas d'anthracite, * soit un mélange de brai, de coke avec ou sans graphite dans le cas des graphites. Dans ce cas les matériaux sont cuits à environ 800 C, puis graphitisés à plus de 2 400 C. Il est connu d'utiliser des cathodes semi-graphitiques ou graphitiques, qui cependant ont des caractéristiques électriques et thermiques moyennes, ne convenant plus aux conditions de fonctionnement des cuves modernes, notamment de forte intensité de courant. La nécessité de réduire la consommation d'énergie, et la possibilité d'augmenter l'intensité du courant, notamment dans des installations existantes, a promu l'utilisation des cathodes graphite. Le traitement de graphitisation de la cathode graphite, à plus de 2 400 C, permet l'augmentation des conductivités électrique et thermique, créant ainsi les conditions suffisantes à un fonctionnement optimisé d'une cuve d'électrolyse. La consommation d'énergie diminue en raison de la baisse de la résistance électrique de la cathode. Une autre façon de profiter de cette baisse de résistance électrique consiste à augmenter l'intensité du courant injecté dans la cuve, permettant ainsi une augmentation de la production d'aluminium. La valeur élevée de la conductibilité thermique de la cathode permet alors l'évacuation de l'excès de chaleur généré par l'augmentation d'intensité. De plus, les cuves à cathode graphite apparaissent moins instables électriquement, c'est-à-dire comportant moins de fluctuation des potentiels électriques, que les cuves à cathodes graphitiques. Toutefois, il s'est révélé que les cuves équipées de cathodes lo graphite présentent une durée de vie plus faible que les cuves équipées de cathodes graphitiques. Les cuves à cathodes graphite deviennent inutilisables par un enrichissement trop élevé en fer de l'aluminium, qui résulte de l'attaque de la barre cathodique par l'aluminium. Le métal atteint la barre par suite de l'érosion du bloc graphite. Bien qu'une érosion des cathodes graphitiques soit également constatée, elle est beaucoup plus faible et n'altère pas la durée de vie des cuves qui deviennent inutilisables pour d'autres causes que l'érosion de la cathode. Au contraire, l'usure des cathodes graphite est suffisamment rapide pour devenir la première cause de mortalité des cuves d'électrolyse de I'aluminium à un âge que l'on peut qualifier de précoce par rapport aux durées de vie enregistrées pour les cuves équipées de cathodes graphitiques. Ainsi on enregistre les vitesses d'usure suivantes pour les différents matériaux: bloc cathodique vitesse d'usure (mm/an) semi-graphitique 10-20 graphitique 20-40 graphite 40-80 La figure unique du dessin schématique annexé montre un bloc cathodique 3, avec les barres cathodiques d'amenée de courant 2, dont le profil initial est désigné par la référence 4. Le profil d'érosion 5, représenté en pointillés, montre que cette érosion est accentuée aux extrémités du bloc cathodique. La vitesse d'érosion d'un bloc cathodique graphite est, par conséquent, son point faible, et son attrait économique en terme de gain de production peut disparaître si la durée de vie ne peut pas être augmentée. Le calcul des densités de courant dans la cathode montre que celles-ci sont plus élevées du côté de la sortie des barres cathodiques. Ces densités de courant sont d'autant plus élevées que la résistance électrique de la cathode est faible. Ainsi le profil d'érosion de chaque cathode, et notamment les fortes usures observées aux extrémités des cathodes correspondent aux zones de fortes densités de courant dans la cathode. Le but de l'invention est de fournir une cathode graphite dont la durée de vie soit augmentée en limitant l'érosion de celle-ci, notamment dans ses zones d'extrémité. Le but de l'invention est donc de fournir une cathode dans laquelle la densité de courant soit diminuée aux extrémités. A cet effet, la cathode qu'elle concerne, possède une résistivité électrique verticale supérieure à la résistivité horizontale, la cathode étant considérée en position horizontale à l'intérieur de la cuve d'électrolyse. En conservant une résistivité horizontale faible, la conductibilité thermique horizontale, qui est d'autant plus grande que la résistivité est faible, reste élevée et permet l'évacuation des calories générées dans la cuve. La résistivité électrique verticale plus élevée permet une distribution plus homogène de la densité de courant. Le rapport entre les résistivités verticale et horizontale de la cathode n'est plus égal à 1, la cathode est alors anisotrope, (ou orthotrope, si la résistivité dans la troisième direction est égale à l'une des deux autres). La figure unique du dessin schématique annexé montre ce que sont les directions horizontale (H) et verticale (V) à l'intérieur de la cuve. Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, le rapport entre la résistivité verticale et la résistivité horizontale est compris entre 1.2 et 1.8 environ. Afin d'obtenir une différence entre la résistivité électrique verticale et la résistivité horizontale, la cathode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de matières premières, dont au moins certaines sont anisotropes, et en ce qu'elle est obtenue par un procédé de mise en forme favorisant l'alignement des particules. La cathode peut ainsi être obtenue soit par extrusion ou vibrotassage. L'orientation des particules permet de disposer de résistivités électriques différentes dans la direction horizontale et dans la direction verticale. Le choix du coke et/ou du grain graphite permet d'ajuster le degré d'anisotropie désiré pour les caractéristiques de résistivité. Le coke peut être choisi dans les familles de coke de brai ou de coke de pétrole. Plusieurs exemples de cathodes graphite selon l'invention sont définies ci-après. Exemple 1 Une cathode graphite entière de dimensions 650*450*3300 est fabriquée à partir de coke A: caractéristique direction unité résistivité électrique H p'Q.m 10,7 résistivité électrique V 'UQ.m 13,2 rapport 1,23 H direction horizontale dans la cuve V: direction verticale dans la cuve Exemple 2 Une cathode graphite, de dimensions 450*500*3300mm, est fabriqué à partir de coke B: caractéristique direction unité résistivité électrique H pQ.m 11,3 résistivité électrique V DQ.m 15,6 rapport 1,38 H: direction horizontale dans la cuve V: direction verticale dans la cuve Exemple 3 Une cathode graphite, de dimensions 450*500*3300mm, est fabriqué à partir de coke C: caractéristique direction unité résistivité électrique H pQ.m 11,0 résistivité électrique V pQ.m 18,1 rapport 1,65 H direction horizontale dans la cuve V direction verticale dans la cuve Comme il ressort de ce qui précède, une telle cathode apporte une grande amélioration à la technique existante, car tout en conservant les avantages d'une cathode graphite traditionnelle en terme de conductivités électrique et thermique horizontales élevées, elle permet de réduire la densité de courant dans les zones d'extrémité de la cathode avec, pour conséquence, une meilleure résistance à l'érosion et, par suite, une durée de vie accrue. REVENDICATIONS 1. Cathode graphite pour électrolyse de l'aluminium, caractérisée en ce qu'elle possède une résistivité électrique verticale supérieure à la résisitivité horizontale, la cathode (3) étant considérée en position horizontale à l'intérieur de la cuve d'électrolyse. 2. Cathode graphite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport entre la résistivité verticale et la résistivité horizontale est compris entre 1,2 et 1,8 environ. 3. Cathode graphite selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de matières premières, dont au moins certaines sont anisotropes, et en ce qu'elle est obtenue par extrusion ou vibrotassage. 4. Cathode graphite selon la revendication 3, caractérisée en ce que les matières premières anisotropes sont choisies parmi les cokes de brai et de pétrole.