Brevet FR2800099A1 — publié le 20010427

L'invention concerne un procédé de fabrication de corps de carbone, notamment d'anodes pour l'électrolyse ignée d'aluminium selon le préambule de la revendication 1. La fabrication d'aluminium est techniquement réalisée dans une électrolyse ignée o de l'oxyde d'aluminium (Al203) est dissout dans une fusion de sels fluorés à des températures de 9500C environ. Dans cette fusion on introduit généralement de façon continue un courant continu d'une intensité de 100 à 300 kA à l'aide d'anodes au carbone (également appelées anodes). En formant de l'aluminium métallique, I'oxygène provenant de l'oxyde d'aluminium (également appelé alumine) se lie au carbone de l'anode pour former du dioxyde de carbone gazeux (CO2), I'anode se consumant lors de ce processus. Les anodes consumées devant être remplacées par des anodes neuves, les coûts ainsi engagés constituent une partie importante des coûts totaux de l'électrolyse ignée (également appelée électrolyse). La réduction de cette consommation fait l'objet d'efforts de développement techniques permanents de la part d'exploitants d'électrolyses et de fabricants d'anodes. La consommation d'anodes est définie selon la consommation brute d'anodes (consommation brute) et la consommation nette d'anodes (consommation nette), la consommation nette résultant de la consommation brute moins les restes d'anodes. Les restes d'anodes sont des restes d'anodes consumées qui sont récupérés et réutilisés en tant que composants de ce que l'on appelle matière sèche pour la fabrication d'anodes neuves. La consommation nette est composée de trois éléments, à savoir la consommation stoechiométrique en tant que premier élément, une consommation à ajouter au premier élément résultant de la conduite de l'électrolyse en tant que deuxième élément, et une autre consommation supplémentaire résultant de la qualité des anodes en tant que troisième élément. Le but de l'invention est d'obtenir la réduction de la consommation due à la qualité des anodes. Cette consommation est entre autres régie par la densité d'une anode, de ce que l'on appelle la densité d'anode brute. Il est déterminant pour la conduite économique d'un processus d'électrolyse que l'on propose à celui-ci des anodes d'une densité à peu près homogène. Les anodes sont constituées par du coke de pétrole calciné et généralement du matériau d'anode recyclé avec de la poix comme agent liant. Le coke de pétrole est un résidu de la distillation de pétrole tandis que le matériau d'anode résulte de restes d'anodes. Comme poix on utilise une poix de goudron de houille ou une poix de pétrole ou un mélange des deux. Les anodes sont généralement fabriquées en soumettant du coke et des restes à une fragmentation mécanique (concassage et broyage), en classifiant le matériau fragmenté selon plusieurs fractions de granulométrie et en réunissant ensuite selon une recette prédéfinie ce que l'on appelle un mélange de matières sèches (coke et restes) des différentes fractions de granulométrie. Ensuite on chauffe le mélange de matières sèches entre 140 C et 180 C, rajoute de la poix en tant qu'agent liant, et mélange le mélange par apport d'énergie dans un procédé comprenant une ou plusieurs étapes, puis la masse d'anode (ci-après masse) est moulée à des températures comprises entre 100 C et 160 C dans un dispositif de moulage pour obtenir des anodes brutes, c'est-à-dire des anodes non cuites. Le façonnage (également appelé moulage) se fait soit par vibration ou par compression, le cas échéant en utilisant un vide, pour faciliter un dégazage de la masse d'anode lors de la compression. Ensuite, les anodes brutes sont cuites pendant un certain temps à des températures de l'ordre de 11000C à 1200 0C. Suite au processus de cuisson et au refroidissement, les anodes sont prêtes pour leur mise en oeuvre dans l'électrolyse. Ce procédé, qui se déroule par principe dans toutes les usines d'anodes, est caractérisé en ce que tous les paramètres des étapes de procédé décrites ci-dessus pour la fabrication d'anodes brutes, depuis le mélange de matières sèches jusqu'au moulage de l'anode brute, sont maintenus constants, par exemple la puissance d'un premier mélangeur après la réunion des matières sèches et de la poix. Ce mélangeur est généralement appelé pétrisseuse, la constance de puissance étant obtenue par réglage de la position des clapets de sortie sur la pétrisseuse en fonction de l'absorption de puissance de l'entraînement de pétrisseuse, ce qui signifie également que l'apport d'énergie dans le mélange reste constant. Par l'intermédiaire d'un circuit de régulation approprié, dans une première étape d'homogénéisation en aval du premier mélangeur, I'apport d'énergie dans la natte d'électrodes et leur température à la sortie d'un dispositif de mélange/refroidisseur de masse représentant l'étape d'homogénéisation, sont maintenus constants par le réglage fixe de grandeurs de fonctionnement du mélangeur et la variation d'une quantité d'eau introduite dans le dispositif. Les paramètres de fonctionnement de machines de moulage tels que la pression de compression et le temps d'arrêt de presses, la fréquence de vibration, le balourd, le poids de couverture et la durée de vibration pour des machines à mouler par vibration sont également maintenus constants, tout comme les grandeurs de fonctionnement de la fabrication de masse d'anodes. Le dosage de la masse d'anodes vers la machine à mouler est effectué, dans les procédés connus, par gravimétrie, la hauteur de l'aggloméré (anode) étant mesurée à la fin du processus de moulage - ce qui est également spécifique pour les procédés connus. La mesure sert au réglage des anodes à la même hauteur, la quantité de la charge étant ajustée en cas d'écarts de hauteur (écart entre hauteur de consigne et hauteur réelle). Si la hauteur réelle d'une anode se situe au-dessus de la hauteur de consigne fixée, la quantité est réduite en conséquence, si la hauteur réelle se situe en dessous de la hauteur de consigne, la quantité de la charge est augmentée. Dans les procédés connus, la mesure de hauteur sert uniquement à l'ajustement de la quantité de masse d'anode amenée dans la machine à mouler à la hauteur de l'anode moulée, c'est-à-dire à l'augmenter ou à la réduire. L'état de la technique actuel produit des anodes d'une même hauteur (une dimension exigée). L'état de la technique accepte toutefois des modifications du poids ou de la densité des anodes. Ces modifications de densité, c'est-à-dire variations de densité (variations de densité des anodes brutes), est une cause qui a une influence négative sur la consommation supplémentaire d'une anode en raison de sa qualité. A partir de cet état de la technique, I'objectif de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de corps de carbone, notamment d'anodes pour l'électrolyse ignée d'aluminium, permettant de fabriquer des corps de carbone notamment des anodes d'une hauteur et d'une densité constantes, et cet objectif est atteint par un procédé présentant les caractéristiques caractérisantes de la revendication 1. Les revendications suivant la revendication 1 caractérisent des développements avantageux du procédé selon l'invention. D'autres avantages, caractéristiques et détails du procédé selon l'invention résultent de la description suivante d'un mode de réalisation préféré du procédé et du dessin sur lequel la figure 1 représente le schéma du procédé d'une usine de masse d'électrode connue, complété par les mesures revendiquées pour atteindre l'objectif de l'invention. Ci-après est décrit plus en détail le schéma du procédé représenté selon l'invention au niveau de sa construction (dispositif). Le dispositif 10, à l'aide duquel le procédé selon l'invention est représenté, comprend un dispositif de préparation de coke de pétrole 11, un dispositif de préparation de poussières de coke de pétrole 12 et un dispositif de préparation de matériau recyclé 13 (restes d'anodes). La préparation de coke de pétrole 11 (ci-après préparation de coke), la préparation de poussières de coke de pétrole 12 (ci-après préparation de poussières) et la préparation de matériau recyclé 13 (ci-après préparation de restes) comprennent des concasseurs, des broyeurs et des broyeurs fins (pas représentés) qui fragmentent les cokes de pétrole, broient les cokes de pétrole en poussières et fragmentent les restes. Les produits de fragmentation sont transportés selon les matières premières et les granulométries dans des silos (non représentés). Aux silos, silos à poussières, par l'intermédiaire d'une installation de contrôle d'absence de poussières 34, est raccordé un dispositif de dosage 14, qui de son côté transporte sur un préchauffage de matières sèches 15. Le préchauffage de matières sèches 15 est relié à l'entrée 16 d'un premier mélangeur, de la pétrisseuse 17, entrée 16 dans laquelle le doseur de poix 18 charge également de la poix servant d'agent liant. En aval de l'extrémité de sortie 19 pourvue de clapets 28 de la pétrisseuse 17 est également placé un mélangeur servant de refroidisseur de masse (refroidisseur de masse d'anode). A lI'intérieur du mélangeur 20 est prévu un cyclone 21 entraîné dont les bras mélangeurs 22 sur l'arbre de cyclone sont réglables, c'est-à-dire réglables autour de leur axe longitudinal (réglage angulaire) pendant le fonctionnement du cyclone 21 à l'aide d'un actionneur 23. Par l'intermédiaire de sa sortie 24, le mélangeur 20 est en communication de transport avec un silo de masse 25 comprenant une bascule, qui de son côté est reliée à un dispositif d'alimentation 26. Le dispositif d'alimentation 26 assure le transport dans une machine de moulage, de préférence dans une presse 27. Sur le côté sortie 29 de la presse 27 est représentée une anode brute 33. Le dispositif 10 décrit ci-dessus comprend pour l'essentiel trois étapes de fonctionnement. La première concerne la préparation des matières premières pour la matière sèche par concassage et broyage de coke de pétrole (y compris le broyage d'une partie du coke de pétrole en poussières) et de restes d'anodes, le tamisage des produits broyés selon les granulométries, puis le stockage des produits broyés séparés selon fractions de la granulométrie, ainsi que la réunion des matières premières selon certaines recettes qui définissent les proportions de coke de pétrole, de poussières et de restes d'anodes selon les granulométries. A cette première étape de fonctionnement, les dispositifs de préparation de coke de pétrole 11, de préparation de poussières 12 et de préparation de matériau recyclé (restes d'anodes) 13 participent séparément pour chaque matière première. Les dispositifs 11, 12 et 13 transportent les produits préparés dans des silos (non représentés). Depuis le dispositif de dosage 14, les matières premières sont retirées des silos selon leur type (coke de pétrole, poussières de coke de pétrole, restes d'anodes) et leur granulométrie et réunies pour obtenir ce que l'on appelle la matière sèche. La matière sèche est typiquement composée de 70 - 85 % de coke de pétrole calciné y compris poussières de coke de pétrole et de 15-30 % de restes d'anodes recyclés. La deuxième étape de fonctionnement est la suivante. Depuis le dispositif de dosage 14, la matière sèche est transportée vers un préchauffage de matière sèche 15 qu'elle traverse depuis une ouverture d'entrée jusqu'à l'ouverture de sortie. Dans le préchauffage 15 la matière sèche est chauffée à une température de 140 C à 180 C. La matière sèche chauffée est transportée depuis l'ouverture de sortie vers l'entrée 16 d'un premier mélangeur, de préférence une pétrisseuse 17. De la poix en provenance du dosage de poix 18 est également amenée dans l'entrée 16 de la pétrisseuse, et la mission de la pétrisseuse 17 est de réunir la matière sèche et la poix en une masse d'anode brute (ci-après appelée masse) pour l'homogénéiser. Le couple de rotation développé par le moteur d'entraînement 30 de la pétrisseuse 17 pendant son fonctionnement est surveillé à l'aide d'un dispositif d'affichage 31, et l'apport d'énergie dans la masse est contrôlé par l'intermédiaire de la surveillance du couple de rotation et de la position des clapets. La masse sort de la sortie 19 pourvue de clapets 28 de la pétrisseuse 17 pour entrer dans le mélangeur 20. Le mélangeur 20 est un mélangeur 20 qui refroidit et homogénéise la masse, le refroidissement étant réalisé par injection d'eau dans la masse, ce qui réduit la température de la masse normalement à 110 C - 170 C. La température est surveillée par un appareil d'affichage 32 situé entre le mélangeur 20 et le silo de masse 25, et en fonction d'un affichage (écart de la température de consigne) est injectée une quantité plus ou moins importante d'eau. Le dépôt de la masse dans le silo 25 termine la deuxième étape de fabrication. La troisième étape de fabrication concerne le moulage d'une anode brute 33 à partir de la masse. La masse est retirée du silo de masse 25 par charges, c'est-à-dire en fonction du poids, et transportée dans une machine à mouler, de préférence une presse 27. Dans la presse 27, la masse est compactée par application de forces de compression pour obtenir une anode de dimensions définies, puis évacuée de la presse 27 à la fin du processus de moulage, ensuite la prochaine charge de masse étant transportée dans la presse 27. Pour atteindre son objectif, c'est-à-dire la fabrication d'anodes brutes d'une même hauteur et d'une même densité (c'est-à-dire d'un poids constant), l'invention part du principe d'utiliser des forces de compression, notamment leurs écarts de valeurs de consigne, en tant que signal de correction pour influencer les paramètres de fonctionnement d'une partie ou de tous les dispositifs des trois étapes de fabrication pour influencer ainsi l'état de densité de la masse d'anode brute (également appelée densité ou consistance) avant sa compression. L'influence sur la consistance résulte alors de la connaissance du rapport direct entre la consistance et la force de compression pour obtenir une hauteur de corps moulé définie. Selon l'invention, dans la troisième étape de fabrication, la force de compression (force de compression verticale, également appelée force de compression de consigne) se situant dans une plage de tolérance de grandeurs est ajustée automatiquement par la presse 27 dans chaque jeu de travail de la presse 27, de telle façon que l'on obtient la hauteur d'anode de consigne précise avec une consistance prédéterminée. Si pour obtenir la hauteur d'anode de consigne un effort plus ou moins important est nécessaire que la force de compression de consigne (également appelée force de compression réelle), la force réelle sert de signal pour modifier la consistance de la masse en direction de valeurs plus ou moins importantes, et ceci jusqu'à ce que la hauteur d'anode de consigne est à nouveau obtenue avec la force de compression de consigne. La constance de la densité de masse peut être influencée selon la figure 1 par les grandeurs, pouvant être introduites individuellement ou ensemble, de l'apport d'énergie dans la masse pendant les deux étapes de mélange 17 et 20 (avec le cyclone 21), cette conduite du procédé, c'est-à- dire l'influence, étant avantageusement développée si, comme dans le procédé selon l'invention, la masse est transportée continuellement et réglée sur une densité (poids par unité de volume), c'est-à-dire une consistance constante. Selon l'invention, les montants d'énergie peuvent être variés par l'embrayage et l'influence d'un dispositif séparé de la pétrisseuse 17 et du mélangeur 20, introduisant une énergie dans la masse, et ceci généralement à chaque point le long de la ligne de procédé commençant à la pétrisseuse 17 et se terminant à l'entrée dans le silo de masse 25. A cet effet sont appropriés des mélangeurs, des agitateurs, des cyclones et des dispositifs similaires qui, par leur action, confèrent à la masse un certain montant d'énergie et par conséquent une consistance spécifique. Ces dispositifs seraient des dispositifs complétant des pétrisseuses 17 et des mélangeurs 20 existants dans le but de varier le montant d'énergie normalement constant transmis à la masse par la pétrisseuse 17 et le mélangeur 20, entièrement ou partiellement indépendamment de ceux-ci (pétrisseuse, mélangeur). Selon l'invention et la figure 1 est proposé d'utiliser les possibilités de la pétrisseuse 17 et/ou du mélangeur 20 pour varier le montant d'énergie, c'est-à-dire la consistance de la masse. Concernant la pétrisseuse 17, ceci peut être obtenu en ce que l'absorption de puissance de son moteur d'entraînement 30 est modifiée par la position de ses clapets 28. Cette mesure permet de modifier l'apport d'énergie dans la masse. La même chose est possible par variation des vitesses de rotation du bac et/ou de l'outil de mélange du mélangeur 20. Un autre mode de réalisation de l'invention est caractérisé en ce que le mélangeur 20 est équipé d'un outil de mélange 35 et d'un cyclone 21. Une réalisation selon l'invention est caractérisée en ce que le cyclone 21 est configuré de telle façon que non seulement sa vitesse de rotation peut être modifiée pendant le fonctionnement à l'aide d'un actionneur, mais également sa géométrie, de préférence par réglage de ses bras mélangeurs 22. Un développement avantageux du procédé selon l'invention prévoit d'effectuer le réglage des pétrisseuses et des mélangeurs de telle façon qu'en cas de nécessité d'effectuer des mesures de correction (c'est-àdire si la hauteur d'anode de consigne est obtenue avec la force de compression de consigne), les pétrisseuses 17 et les mélangeurs 20 avec leurs compléments (par exemple le cyclone 21) sont à nouveau exploités avec leur paramètres de fonctionnement initiaux. Un développement avantageux du procédé selon l'invention peut prévoir un réglage diminuant le débit de masse jusqu'à une valeur prédéfinie, même si avec un apport d'énergie maximum par l'intermédiaire de la pétrisseuse 17 et du mélangeur 20 on ne peut obtenir la consistance de masse nécessaire pour obtenir la densité requise sans réduction de débit (position E). Un développement avantageux du procédé selon l'invention prévoit un contrôle quasi-continu de la quantité dosée de tous les composants en ce que l'éjection d'anodes brutes par unité de temps doit être identique à la somme préréglée du débit de chaque composant par unité de temps (positions C et E). L'addition de poussières est de préférence mesurée continuellement, en ce qui concerne la quantité de poussières et la finesse des poussières, à l'aide du dispositif de contrôle de finesse des poussières 34 (voir position D). Ces contrôles permettent d'engager des mesures de correction nécessaires ou de déclencher des alarmes. Un type de conduite de procédé sera décrit ci-après à l'aide du schéma de procédé selon la figure 1, partant du principe que pour modifier la consistance, les possibilités de variation des apports d'énergie sont suffisantes. Une masse est dosée selon le poids et transportée vers la presse 27 pour y être comprimée pour obtenir une anode brute 33 d'une hauteur prédéfinie (hauteur d'anode de consigne). Afin que toutes les anodes successives dans le processus de fabrication atteignent la même hauteur d'anode, la presse 27 est équipée pour développer automatiquement la force de compression (force de compression réelle) dans chaque jeu de travail (d'une anode à l'autre), qui est nécessaire pour obtenir la hauteur d'anode de consigne constante. Si lors du processus de compression la force de compression réelle dépasse une valeur limite supérieure admissible (force de compression de consigne plus plage de tolérance), on modifie en premier lieu la géométrie et/ou la vitesse de rotation du cyclone 21 dans le mélangeur 20 afin que - pendant que le mélangeur 20 exerce sa fonction de mélange normale - une énergie supplémentaire soit introduite dans la masse de sorte que sa modification de consistance en résultant permet une réduction de la force de compression réelle sur la force de compression de consigne. Pour cette variation de l'apport d'énergie par le cyclone 21 on modifie, pour la modification de la géométrie, les positions angulaires de ses bras mélangeurs 22 à l'aide de l'actionneur 23. La première mesure décrite ci- dessus est représentée par la position A. La température de la masse est alors surveillée en permanence. Si le cas échéant l'apport d'énergie selon la position A par la commande de l'apport de puissance du mélangeur 20 n'est pas suffisant, on augmente en deuxième lieu l'apport d'énergie de la pétrisseuse 17 par réglage des clapets 28 dans la masse, voir position B. Ce processus est surveillé par l'affichage du couple de rotation. Si la force de compression pour obtenir la hauteur d'anode de consigne est inférieure à la force de compression de consigne moins la plage de tolérance, I'apport d'énergie dans la masse doit être réduit. Ceci se fait encore premièrement par l'adaptation de la géométrie et/ou de la vitesse de rotation du cyclone dans le mélangeur 20 (position A). Si ceci, ainsi qu'une adaptation éventuelle de la vitesse de rotation du bac, n'est pas suffisant, on peut en plus réduire l'apport d'énergie dans la masse par la pétrisseuse 17 (réglage des clapets) (position B). Pour la réalisation du procédé selon l'invention, en cas de mesures de correction, donc par exemple la modification de paramètres de fonctionnement du mélangeur 20, la mise en circuit du cyclone 21 et la modification des paramètres de fonctionnement de la pétrisseuse 17, il est avantageux d'effectuer la mise hors circuit des dispositifs d'apport ou de réduction d'énergie dans l'ordre inverse de leur mise en circuit précédente, et ceci avec un contrôle de débit de masse continu ou discontinu. O REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de corps de carbone, notamment d'anodes pour l'électrolyse ignée d'aluminium, par préparation d'une matière sèche, addition de poix en tant qu'agent liant, mélange de la matière sèche et de l'agent liant pour obtenir une masse d'anode brute, moulage de la masse d'anode brute pour obtenir des anodes d'une même hauteur à l'aide d'une force de compression verticale, caractérisé en ce que pour obtenir des anodes d'une même hauteur et d'une même densité a) d'un jeu de travail au suivant, des forces de compression variables adaptées sont appliquées sur la masse d'anode, répétant précisément la hauteur d'anode et se situant dans une plage de tolérance de grandeurs, et que b) des forces de compression au delà de la plage de tolérance sont utilisées comme signaux de correction pour modifier la consistance de la masse 1 5 d'anode. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que suite à un dépassement vers le haut de la plage de tolérance de grandeurs de la force de compression, on réduit la consistance de la masse d'anode. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que suite à un dépassement vers le bas de la plage de tolérance de grandeurs de la force de compression, on augmente la consistance de la masse d'anode. 4. Procédé selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que l'augmentation de la consistance est réalisée par augmentation et la réduction de la consistance par réduction de l'apport d'énergie dans la masse d'anode. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'augmentation de lI'apport d'énergie est réalisé à l'aide d'un mélangeur 20 et/ou d'un cyclone 21 intégré dans le mélangeur 20. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une augmentation supplémentaire de l'apport d'énergie est réalisée à l'aide d'une pétrisseuse 17. il 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la réduction de l'apport d'énergie est réalisée à l'aide du mélangeur 20 et/ou d'un cyclone 21 intégré dans le mélangeur 20. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la réduction supplémentaire du montant d'énergie est réalisée à l'aide de la pétrisseuse 17. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'on réduit le débit de masse traversant le procédé par unité de temps si un apport d'énergie n'est pas atteint. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le débit correct de tous les composants (matières sèche, agent liant) est comparé quasi continuellement par la comparaison de la somme de tous les débits de consigne des composants avec le rendement spécifique de la presse. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la finesse des composants/du composant poussières est continuellement vérifiée par mesure de la densité en vrac des poussières. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la mise hors circuit de mesures de correction est réalisée dans l'ordre inverse de leur mise en circuit.