Brevet FR2976593A1 — publié le 20121221

La présente invention concerne une cuve d'électrolyse utilisée pour la production d'aluminium. L'aluminium est produit industriellement à partir d'alumine par électrolyse selon le procédé de Hall-Héroult. A cet effet, on prévoit une cuve d'électrolyse composée notamment d'un caisson en acier, d'un revêtement intérieur réfractaire, et d'une cathode en matériau carboné, reliée à des conducteurs servant à l'acheminement du courant d'électrolyse. La cuve d'électrolyse contient également un bain électrolytique constitué notamment de cryolithe dans lequel est dissoute de l'alumine. Le procédé de Hall-Héroult consiste à plonger partiellement un bloc carboné constituant l'anode dans ce bain électrolytique, l'anode étant consommée au fur et à mesure de l'état d'avancement de la réaction. Des moyens d'actionnement sont généralement prévus pour descendre l'anode dans la cuve d'électrolyse au fur et à mesure de sa consommation. Au fond de la cuve d'électrolyse se forme une couche d'aluminium liquide évacuée par aspiration ou siphonage. La production d'aluminium par le procédé de Hall-Héroult est menée en maintenant un certain équilibre thermique dans la cuve d'électrolyse. L'équilibre thermique est permis par la compensation de la perte de chaleur de la cuve par celle produite dans la cuve (provenant essentiellement du courant d'électrolyse). Par ailleurs, la cuve d'électrolyse est généralement conformée de manière à permettre la formation d'un talus de cryolithe solidifiée au niveau de ses parois internes latérales. Ce talus permet de protéger les matériaux revêtant les parois latérales internes de la cuve de la corrosion par l'aluminium liquide et le bain électrolytique. Pour permettre la formation du talus dans la cuve, il est connu de prévoir l'évacuation d'un flux latéral de chaleur au niveau de la partie supérieure des parois latérales de la cuve de par les matériaux utilisés et la configuration d'assemblage des constituants des paroi latérales de la cuve, ou encore si nécessaire par soufflage d'air comme cela est connu du brevet US6251237. Cependant, à ce flux de chaleur souhaité s'ajoutent généralement des flux de chaleur sortants subis. C'est par exemple le cas du flux thermique s'échappant de la cuve par l'intermédiaire des conducteurs équipant la cathode. Cela engendre des pertes thermiques rendant complexe le maintien de l'équilibre thermique dans les cuves. Aussi la présente invention a pour but de remédier à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus en proposant une cuve d'électrolyse destinée à la production d'aluminium offrant une meilleure isolation thermique. I A cet effet, la présente invention a pour objet une cuve d'électrolyse, destinée à être utilisée pour produire de l'aluminium par électrolyse, comprenant : (i) un caisson muni d'une paroi de fond et d'une paroi latérale, (ii) une cathode placée sur la paroi de fond, (iii) des moyens de conduction électrique reliés à la cathode et agencés pour acheminer le courant d'électrolyse d'une cuve d'électrolyse à une autre, caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique traversent la paroi latérale du caisson à hauteur d'une zone comprise entre la face supérieure de la cathode et le bord supérieur de la paroi latérale du caisson. Ainsi, la présente invention offre une cuve d'électrolyse présentant une meilleure isolation thermique. Les pertes thermiques sont réduites par rapport aux cuves d'électrolyse connues. Les pertes thermiques de la cuve d'électrolyse selon l'invention sont par ailleurs maitrisées de sorte à permettre la formation du talus pour protéger les matériaux des parois latérales de la cuve. En effet un flux thermique sort à cet effet au niveau des liquides contenus dans le caisson. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les moyens de conduction électrique traversent la paroi latérale du caisson à hauteur d'une zone située entre le niveau inférieur et le niveau supérieur d'un bain électrolytique. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les moyens de conduction électrique traversent la paroi latérale du caisson à hauteur du niveau inférieur du bain électrolytique, c'est-à-dire à l'interface du bain électrolytique et d'une nappe d'aluminium. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les moyens de conduction électrique comprennent une première partie au contact de la cathode, et une deuxième partie reliée à la première partie et s'étendant du bas vers le haut à l'intérieur du caisson. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la deuxième partie est sensiblement verticale. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les 30 moyens de conduction électrique comprennent au moins une extrémité reliée à la deuxième partie et s'étendant au travers de la paroi latérale du caisson. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, l'extrémité est sensiblement horizontale. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la première partie au contact de la cathode est en acier ou en acier et en cuivre. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les moyens de conduction électrique sont en acier, en cuivre ou en acier et en cuivre. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, une partie au moins de la deuxième partie des moyens de conduction électrique est en cuivre. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, une partie au moins de l'extrémité est en cuivre. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les 10 moyens de conduction électrique comprennent une barre. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, les moyens de conduction électrique comprennent une plaque. Par plaque on entend tout élément dont une dimension (l'épaisseur) est négligeable par rapport aux deux autres, pour permettre notamment d'augmenter la surface 15 d'échange thermique et/ou réduire l'encombrement. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, au moins une partie de la deuxième partie des moyens de conduction électrique est une plaque. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la plaque s'étend latéralement au-delà de la première partie. 20 Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la plaque est connectée électriquement à au moins deux premières parties. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la plaque est reliée à un nombre différent de premières parties et d'extrémités. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la plaque 25 s'étend de bas en haut au-delà de l'extrémité. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la deuxième partie est isolée électriquement des matériaux garnissant l'intérieur du caisson. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, la deuxième partie est isolée électriquement des matériaux garnissant l'intérieur du caisson 30 par du béton. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, le caisson est garni intérieurement de blocs en matériaux réfractaires. Selon une autre caractéristique de la cuve d'électrolyse selon l'invention, le caisson comprend un isolant thermique placé entre la deuxième partie des moyens de conduction électrique et la paroi latérale du caisson. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui est exposée 5 ci-dessous en regard des dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue en coupe d'une cuve d'électrolyse appartenant à l'état de la technique, La figure 2 est une représentation schématique d'une cuve d'électrolyse connue indiquant les principaux flux thermiques sortants, 10 - La figure 3 est une représentation schématique d'une cuve d'électrolyse selon un mode particulier de réalisation de l'invention, La figure 4 est une vue en perspective de moyens de conduction du courant d'électrolyse appartenant à l'état de la technique, - Les figures 5 et 6 sont des vues en perspective de moyens de conduction du 15 courant d'électrolyse utilisés dans une cuve d'électrolyse selon un mode particulier de réalisation de l'invention, - La figure 7 est une vue schématique d'une cuve d'électrolyse selon un mode particulier de réalisation de l'invention. La figure 1 montre une cuve d'électrolyse 1 permettant la production d'aluminium à 20 partir d'alumine. La cuve d'électrolyse 1 comprend un caisson 2 métallique. Le caisson 2 métallique peut être en acier. Il présente une paroi 2a de fond et des parois 2b latérales. Le caisson 2 contient un bain 8 électrolytique. Au cours de la réaction se forme une nappe 13 d'aluminium liquide. Le bain 8 électrolytique et la nappe 13 d'aluminium liquide sont des liquides inhérents à la production d'aluminium par électrolyse. 25 Le caisson 2 comporte des blocs 3, 4, remplissant notamment une fonction d'isolation thermique, et garnissant l'intérieur du caisson 2 métallique. Les blocs 3, 4 peuvent comporter par exemple des briques réfractaires et/ou des blocs carbonés. Dans l'exemple de la figure 1, les blocs 4 sont placés à l'intérieur du caisson contre la partie supérieure de la paroi 2b latérale du caisson 2. Les blocs 3 recouvrent la paroi 2a de fond 30 du caisson 2. La cuve 1 comporte aussi une pluralité d'anodes 5. Les anodes 5 sont constituées de blocs carbonés. Elles peuvent être reliées à des tiges 6 par des organes 7 de liaison, généralement appelés multipodes qui comprennent des goujons ancrés dans les anodes 5. Les tiges 6 sont quant à elles reliées à une structure 9 porteuse. Les anodes 5 sont destinées à être plongées dans le bain 8 électrolytique. Le bain 8 électrolytique comporte notamment de la cryolithe et de l'alumine. Les anodes 5 sont consommées au fur et à mesure de l'avancement de la réaction d'électrolyse formant l'aluminium et des moyens d'actionnement des tiges 6 permettent de les mouvoir en translation par rapport à la structure 9 porteuse de manière à abaisser les anodes 5 au fur et à mesure qu'elles sont consommées dans la cuve 1. Une couverture 12 d'alumine et de bain broyé recouvre généralement le bain 8 électrolytique et au moins partiellement les anodes 5. Un talus 14 de cryolithe figé se forme sur les bords de la cuve 1. Ce talus 14 10 protège les blocs 4 de l'attaque chimique du bain 8 électrolytique et de la nappe 13 d'aluminium liquide. La cuve 1 comprend en outre une cathode 10. La cathode 10 peut comporter une pluralité de blocs carbonés. La cathode 10 est reliée dans sa partie inférieure à des moyens de conduction électrique du courant d'électrolyse formés notamment d'un ou 15 plusieurs conducteurs 11. Le conducteur 11 traverse le caisson 2 au niveau d'orifices ménagés sur le caisson et prévus à cet effet. Le conducteur 11 collecte le courant électrique à la cathode pour permettre son acheminement d'une cuve d'électrolyse à une autre. La figure 4 montre un exemple de conducteur 11 connu pouvant être relié la cathode 10. 20 La figure 2 montre de façon schématique une cuve 1 d'électrolyse connue. Le conducteur 11 traverse le caisson 2 sensiblement au niveau de la partie inférieure de la cathode 10, à proximité du fond 2a du caisson 2. Le conducteur 11 au contact de la cathode 10 chaude tend à provoquer une perte de chaleur hors de la cuve 1 sur les côtés de la cuve à proximité du fond 2a du caisson. 25 Le flux thermique 15 sortant de la cuve en résultant est représenté sur la figure 2. Par ailleurs, il est souhaitable de permettre la formation du talus 14 (non représenté sur la figure 2) pour protéger de l'attaque chimique du bain 8 électrolytique et de la nappe 13 d'aluminium liquide les matériaux garnissant l'intérieur du caisson 2 (blocs 4 dans l'exemple de la figure 1). 30 Pour favoriser la formation du talus 14, un flux thermique 16 sortant est souhaité au niveau de la partie supérieure des parois 2b latérales du caisson 2. Le flux thermique entre les liquides contenus dans la cuve 1 et la paroi 2b latérale du caisson 2 favorise la formation du talus 14. La figure 3 montre schématiquement une cuve 1 d'électrolyse selon un mode 35 particulier de réalisation de l'invention. La cuve 1 correspondant à ce mode de réalisation diffère essentiellement des cuves 1 de l'art antérieur par le fait qu'elle comporte un conducteur 11 présentant une ou plusieurs extrémités 11 a traversant le caisson 2 à hauteur des liquides contenus dans la cuve 1 d'électrolyse. Comme cela est visible sur la figure 3, le conducteur 11 remonte à proximité des liquides contenus dans le caisson 2. La différence de température entre les liquides contenus dans le caisson 2 et celle des extrémités 11 a du conducteur 11 a pour conséquence un flux thermique sortant à hauteur des liquides. Ce flux permet la formation du talus 14 protégeant les matériaux de côté de la cuve 1. Ainsi, le flux thermique 15, initialement à l'origine de pertes thermiques sur les côtés 2b de la cuve à proximité du fond 2a de la cuve via les conducteurs 11 électriques est éliminé dans une cuve selon l'invention de sorte que la chaleur dissipée hors de la cuve s'en trouve réduite. Aussi, les pertes thermiques via la sortie du caisson des conducteurs 11 sont avantageusement utilisées de manière à réguler le talus 14. Le conducteur 11 remonte à l'intérieur du bloc 4 jusqu'au niveau des liquides 15 contenus dans le caisson 2, à hauteur duquel l'extrémité 11 a traverse le caisson 2. Selon un mode particulier de réalisation, l'extrémité 11 a traverse la paroi 2b latérale du caisson à hauteur d'une zone comprise entre la face supérieure de la cathode 10 et le bord supérieur de la paroi 2b latérale du caisson 2. L'extrémité 11 a peut traverser la paroi 2b latérale du caisson à hauteur d'une zone 20 comprise entre le niveau inférieur et le niveau supérieur du bain 8 électrolytique. Plus particulièrement l'extrémité 11 a traverse la paroi 2b latérale du caisson 2 à hauteur du niveau inférieur du bain 8 électrolytique. Dans l'exemple de la figure 5, le conducteur 11 est une barre. II peut également être constitué en tout ou partie sous forme de plaque conductrice, c'est-à-dire avec une faible 25 épaisseur, plus particulièrement comprise entre 1 et 5 cm, et une largeur au moins 3 fois supérieure à cette épaisseur. Le conducteur 11 de la figure 5 comporte une première partie 11 b sensiblement horizontale, reliée à la cathode 10, terminée à une extrémité au moins par une deuxième partie 11 c sensiblement verticale, remontant à l'intérieur des blocs 4 garnissant l'intérieur du caisson 2. Au bout de chaque deuxième partie 11c 30 sensiblement verticale se situe une extrémité 11a sensiblement horizontale qui traverse le caisson. L'extrémité 11a peut elle-même être reliée à des éléments conducteurs pour l'acheminement du courant vers la cuve suivante. Le conducteur 11 selon ce mode particulier de réalisation de l'invention est en acier, ou en cuivre, ou en acier et en cuivre. Selon un mode particulier de réalisation de la 35 présente invention, le conducteur 11 présente une première partie 11 b en acier ou en acier et en cuivre correspondant plus particulièrement à celle liée à la cathode 10, et une autre partie 11 c, 11 a en cuivre correspondant à la partie du conducteur 11 s'étendant hors de la cathode 10. Une cuve comporte généralement une pluralité de blocs cathodiques disposés transversalement dans la cuve 1 pour former la cathode 10. Ces blocs cathodiques comportent chacun deux évidements parallèles dans leur partie inférieure à l'intérieur desquels sont disposés des conducteurs 11. La figure 6 représente un conducteur particulièrement adapté pour équiper un tel bloc cathodique et comportant deux premières parties 11 b connectées à une même 10 deuxième partie 11 c sous la forme d'une plaque et comportant deux extrémités 11 a. L'avantage d'utiliser des plaques par rapport à des barres réside dans un gain de place pour leur disposition dans le caisson et leur agencement avec les matériaux garnissant l'intérieur du caisson. Par ailleurs, des plaques offrent une plus grande surface d'échange thermique et donc une meilleure répartition des flux thermiques dans la cuve 15 avec une dissipation thermique mieux maitrisée pour la régulation de la formation du talus 14. Une telle plaque 11 c peut également s'étendre latéralement au delà des premières parties 11 b ou verticalement au dessus des extrémités 11 a. Aussi, une même plaque 11 c peut être connectée électriquement à un plus grand 20 nombre de premières parties 11 b, notamment de 2 à 20 premières parties 11 b. Le nombre d'extrémité 11 a connectées à la plaque peut également être différent du nombre de premières parties 11 b connectées et le conducteur 11 de la figure 6 pourrait par exemple comporter une unique extrémité 11 a. Lorsqu'une seule première partie 11 b est mise en oeuvre avec une seule deuxième 25 partie 11 c, la deuxième partie 11 c peut également présenter la forme d'une plaque. La deuxième partie 11 c du conducteur permet de concentrer le flux thermique émis par les liquides contenus dans la cuve au niveau des bords de la cuve pour l'amener vers l'extérieur de sorte que le flux thermique dans les matériaux garnissant l'intérieur du caisson 2 est diminué. Ceci a pour avantage que ces matériaux chauffent moins et se 30 dégradent moins. Aussi, comme le flux sortant sur la paroi 2b latérale du caisson 2 est concentré par le conducteur 11 et l'extrémité 11a, la paroi 2b latérale a une température plus homogène et plus froide de sorte que les risques de points chauds sur la paroi 2b latérale du caisson 2 sont diminués. Le caisson 2 peut comporter un isolant 17 thermique placé entre le conducteur 11 et 35 la paroi 2b latérale du caisson 2. Cet isolant 17 thermique peut être placé contre la surface intérieure de la paroi 2b latérale du caisson 2. La figure 7 montre un exemple de cuve 1 d'électrolyse selon un mode particulier de réalisation de l'invention équipée d'un isolant 17 thermique. L'isolant 17 thermique peut par ailleurs s'étendre verticalement au dessus de la ou des extrémités 11 a. La mise en place d'un tel isolant 17 contre la surface intérieure de la paroi 2b latérale du caisson 2 est possible avec le conducteur 11 selon l'invention du fait de l'évacuation préférentielle du flux thermique via l'extrémité 11 a contrairement aux cuves avec les conducteurs de l'art antérieur, dans lesquelles les températures deviennent trop importantes sur les bords de cuve et les isolants sont dégradés. La présente invention permet par conséquent à la fois d'améliorer l'isolation thermique globale de la cuve et de maitriser la formation du talus. Par ailleurs, le flux thermique traversant la cathode 10 est diminué avec un conducteur 11 selon l'invention par rapport à l'utilisation d'un conducteur de l'art antérieur avec lequel une quantité importante de chaleur est évacuée par le fond par le conducteur, ce qui a pour avantage de diminuer les risques de refroidissement de la cathode 10 entrainant une accumulation de débris sur la cathode 10 et une augmentation de la résistance électrique entre le conducteur 11 et l'anode 5. Avantageusement, les deuxièmes parties 11c du conducteur 11 sont isolées électriquement des matériaux garnissant l'intérieur du caisson 2 de sorte à limiter ou éviter les risques de lignes de courant dans les liquides contenus dans la cuve 1 entre les anodes et les bords de la cuve 1. Cette isolation est avantageusement réalisée au moyen de béton. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Cuve (1) d'électrolyse, destinée à être utilisée pour produire de l'aluminium par 5 électrolyse, comprenant : (i) un caisson (2) muni d'une paroi (2a) de fond et d'une paroi (2b) latérale, (ii) une cathode (10) placée sur la paroi (2a) de fond, (iii) des moyens de conduction électrique reliés à la cathode (10) et agencés pour acheminer le courant d'électrolyse d'une cuve (1) d'électrolyse à une autre, 10 caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique traversent la paroi (2b) latérale du caisson (2) à hauteur d'une zone comprise entre la face supérieure de la cathode (10) et le bord supérieur de la paroi (2b) latérale du caisson (2). 2. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique traversent la paroi (2b) latérale du caisson (2) à hauteur 15 d'une zone située entre le niveau inférieur et le niveau supérieur d'un bain (8) électrolytique. 3. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique traversent la paroi (2b) latérale du caisson (2) à hauteur du niveau inférieur du bain (8) électrolytique, c'est-à-dire à l'interface du bain (8) 20 électrolytique et d'une nappe (13) d'aluminium. 4. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique comprennent une première partie (11 b) au contact de la cathode (10), et une deuxième partie (11c) reliée à la première partie (11 b) et s'étendant du bas vers le haut à l'intérieur du caisson (2). 25 5. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 4, caractérisée en ce que la deuxième partie (11c) est sensiblement verticale. 6. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique comprennent au moins une extrémité (11a) reliée à la deuxième partie (11c) et s'étendant au travers de la paroi (2b) latérale du caisson (2). 30 7. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'extrémité (11a) est sensiblement horizontale. 8. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la première partie (11 b) au contact de la cathode (10) est en acier ou en acier et en cuivre. 9. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 5 caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique sont en acier, en cuivre ou en acier et en cuivre. 10. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisée en ce qu'une partie au moins de la deuxième partie (11c) des moyens de conduction électrique est en cuivre. 10 11. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'une partie au moins de l'extrémité (11a) est en cuivre. 12. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique comprennent une barre. 13. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, 15 caractérisée en ce que les moyens de conduction électrique comprennent une plaque. 14. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'au moins une partie de la deuxième partie (11c) des moyens de conduction électrique est une plaque. 15. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 14, caractérisée en ce que la 20 plaque s'étend latéralement au-delà de la première partie (11 b). 16. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 15, caractérisée en ce que la plaque est connectée électriquement à au moins deux premières parties (11 b). 17. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 15 ou 16, caractérisée en ce que la plaque est reliée à un nombre différent de premières parties (11 b) et d'extrémités (11 a). 25 18. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une des revendications 14 à 17, caractérisée en ce que la plaque s'étend de bas en haut au-delà de l'extrémité (11a). 19. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 4 à 18, caractérisée en ce que la deuxième partie (11c) est isolée électriquement des matériaux garnissant l'intérieur du caisson (2). 20. Cuve (1) d'électrolyse selon la revendication 19, caractérisée en ce que la deuxième partie (11c) est isolée électriquement des matériaux garnissant l'intérieur du caisson (2) par du béton. 21. Cuve (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisée en ce 5 que le caisson (2) est garni intérieurement de blocs (3, 4) en matériaux réfractaires. 22. Cuve (1) d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 4 à 21, caractérisée en ce que le caisson (2) comprend un isolant (17) thermique placé entre la deuxième partie (11c) des moyens de conduction électrique et la paroi (2b) latérale du caisson (2).