Brevet FR3023301A1 — publié le 20160108

La présente invention concerne une cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium par électrolyse. L'aluminium est classiquement produit dans des alumineries, par électrolyse, selon le procédé de Hall-Héroult. A cet effet, on prévoit une cuve d'électrolyse comprenant un caisson et un revêtement intérieur en matériau réfractaire. La cuve d'électrolyse comprend également des blocs cathodiques agencés au fond du caisson, parcourus par des barres conductrices destinées à collecter le courant d'électrolyse et à le conduire à une cuve d'électrolyse suivante. La cuve d'électrolyse comprend également au moins un bloc anodique suspendu à un support anodique, tel qu'une tige et une traverse, le bloc anodique étant plongé partiellement dans un bain électrolytique, au-dessus des blocs cathodiques. Une nappe d'aluminium liquide se forme sous le bain électrolytique en recouvrant les blocs cathodiques au fur et à mesure de la réaction. Le passage du courant s'effectue du support d'anode vers la cathode via le bloc anodique, le bain électrolytique à une température d'environ 970°C dans lequel l'alumine est dissoute, et la nappe de métal. Afin de limiter la corrosion des parois du caisson, du fait de la composition chimique du bain électrolytique et de sa température, il est connu d'utiliser des blocs de parement interne en matériau carboné que l'on superpose au revêtement intérieur du caisson. Toutefois, malgré la présence de ces blocs de parement interne et du revêtement intérieur, la perte thermique au travers des parois du caisson reste très importante, ce qui est préjudiciable au rendement énergétique général, à la durée de vie de la cuve, et au bon fonctionnement du procédé d'électrolyse. Un des buts de la présente invention vise à pallier cet inconvénient. Pour ce faire, l'invention propose une cuve d'électrolyse destinée à contenir un bain électrolytique, la cuve d'électrolyse comprenant un caisson comportant des parois latérales, et un revêtement latéral d'isolation recouvrant les parois latérales, le revêtement latéral d'isolation comprenant : des éléments thermiquement isolants en matériau compressible, des éléments de calage en matériau réfractaire présentant au moins une face latérale, les éléments thermiquement isolants et les éléments de calage étant apposés de façon alternée contre au moins une paroi latérale du caisson, et des blocs de parement interne agencés pour protéger le caisson, les éléments thermiquement isolants et les éléments de calage du bain électrolytique, la distance entre deux éléments de calage adjacents étant adaptée de sorte que chaque bloc de parement interne prend appui contre la face latérale d'au moins deux éléments de calage. Dans cette configuration, la paroi du caisson est en partie recouverte d'éléments thermiquement isolants pouvant être en matériau compressible, qui limitent fortement les pertes thermiques et protègent la paroi du caisson des fortes chaleurs dégagées par le bain électrolytique et l'aluminium liquide. Par ailleurs, les éléments de calage réfractaire intercalés entre les éléments thermiquement isolants en matériau compressible permettent d'éviter le tassement des éléments thermiquement isolants lors de la construction et le fonctionnement de la cuve, sans pour autant former un pont de conduction thermique préjudiciable vers la paroi du caisson. Les éléments thermiquement isolants ne subissent pas de compression entre la paroi latérale du caisson et les blocs de parement interne, de sorte qu'ils ne sont pas écrasés et conservent leur capacité d'isolation thermique. L'utilisation d'éléments thermiquement isolants en matériau compressible ainsi rendue possible permet de limiter les coûts de matière première et de mise en oeuvre pour un bilan thermique amélioré et facilement ajustable. Par élément thermiquement isolant en matériau compressible, on entend tout élément qui serait écrasé, et donc dégradé par les blocs de parement interne, lors de la fabrication ou du fonctionnement de la cuve, sans la présence des éléments de calage. Les éléments thermiquement isolants en matériau compressible peuvent être de structure aérée, notamment à base de fibres. Avantageusement, le revêtement latéral d'isolation comprend en outre des éléments de protection en matériau réfractaire, disposés entre les éléments thermiquement isolants et les blocs de parement interne. Ces éléments de protection protègent les éléments thermiquement isolants disposés derrière contre une éventuelle imprégnation de bain électrolytique au travers des blocs de parement interne de sorte que la protection de l'isolation thermique est renforcée dans le temps.. Selon une disposition, l'espace entre deux éléments de calage adjacents loge des éléments de protection. Dans cette configuration, les éléments de protection ne recouvrent pas les éléments de calage mais seulement les éléments thermiquement isolants. De préférence, chaque élément de calage présente une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur cumulée d'un élément de protection et d'un élément thermiquement isolant de sorte que les éléments thermiquement isolants sont libres de compression. Cet agencement permet ainsi de conserver la tenue et la capacité d'isolation thermique des éléments thermiquement isolants en matériau compressible pendant toute la durée de la vie de la cuve. Les éléments thermiquement isolants présentent un coefficient d'isolation thermique supérieur à celui des éléments de calage et à celui des éléments de protection. Ainsi il est possible d'utiliser des éléments thermiquement isolants de faible épaisseur. Leur présence impacte très peu le volume intérieur résiduel du caisson pour une isolation thermique efficace. Ainsi, ces éléments permettent de diminuer les pertes thermiques au niveau des parois latérales du caisson sans nécessiter de réduire les dimensions des blocs cathodiques présents dans le caisson et donc l'efficacité du procédé d'électrolyse. Avantageusement, la longueur de chaque élément thermiquement isolant, mesurée selon l'axe longitudinal de la paroi respective du caisson, est supérieure à celle de chaque élément de calage. Cette disposition permet d'optimiser l'isolation thermique du caisson et de limiter les ponts thermiques. Typiquement, la longueur de chaque élément thermiquement isolant, mesurée selon l'axe longitudinal de la paroi respective du caisson, est au moins quatre fois plus importante que celle de chaque élément de calage. De préférence, le revêtement latéral d'isolation comprend en outre des plaques de parement externe, avantageusement en carbure de silicium (SiC), s'étendant contre la au moins une paroi latérale du caisson et disposées à l'aplomb au-dessus des éléments de calage, des éléments thermiquement isolants, et le cas échéant des éléments de protection. Ces plaques protègent ainsi de la corrosion les éléments thermiquement isolants par au-dessus, et le caisson. Elles favorisent en outre l'évacuation localisée et controlée du flux de chaleur au niveau d'une surface choisie. Avantageusement, chaque plaque de parement externe présente une épaisseur sensiblement identique à celle de chaque élément de calage. Ainsi, les tranches latérales des éléments thermiquement isolants et le cas échéant des éléments de protection sont recouvertes et protégées verticalement de l'environnement corrosif de la cuve d'électrolyse. Selon une possibilité, le matériau compressible de l'élément thermiquement isolant est en matériau fibreux, tel qu'un matériau de fibres de verre, de fibres de carbone, de fibres de roche, ou de fibres de chanvre. Il peut aussi être de type super isolant micro-poreux ou encore à base de perlite, diatomite ou silicate de calcium. Avantageusement, le matériau compressible des éléments thermiquement isolants présente une conductivité thermique inférieure à 0.5W/m.K. Avantageusement, les éléments de calage montrent une résistance à la compression supérieure à 10 MPa. Selon une possibilité, les éléments de calage présentent une conductivité thermique inférieure à 2 W/m.K Avantageusement, les éléments de calage sont constitués de briques réfractaires, par exemple silico-alumineuses, ou de plaques de mica, qui présentent une bonne résistance à la compression et une faible conductivité thermique. Typiquement, les éléments de protection sont en matériau identique, ou de type identique, à celui des éléments de calage. Avantageusement, les blocs de parement interne sont constitués de matériau à base de carbone, qui assurent au caisson d'atteindre une bonne longévité malgré les conditions d'électrolyse très corrosives. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques. La figure 1 illustre une vue schématique partielle de l'intérieur d'une cuve d'électrolyse selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 illustre une autre vue schématique partielle de l'intérieur d'une cuve d'électrolyse selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 3 illustre encore une vue schématique partielle de l'intérieur d'une cuve d'électrolyse selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 4 est une vue en section partielle de l'intérieur d'une cuve d'électrolyse selon le mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 3. Comme illustré à la figure 1, la cuve d'électrolyse 100 comprend un caisson 200 et un revêtement d'isolation latéral comprenant des éléments thermiquement isolants 1 et des éléments de calage 2 apposés en alternance contre une paroi 3 latérale du caisson 200. Ces éléments thermiquement isolants 1 sont recouverts d'éléments de protection 4 (figure 2) que viennent à leur tour recouvrir des blocs de parement interne 5 prenant appui contre les éléments de calage 2 (figure 3). Des plaques de parement externe 6 s'étendent également contre la paroi 3 latérale du caisson 200 et à l'aplomb au-dessus des éléments de calage 2, des éléments thermiquement isolants 1 et des éléments de protection 4. (figure 3). Les éléments thermiquement isolants 1 sont protégés contre une compression entre la paroi latérale du caisson 200 et les blocs de parement interne 5 par la disposition des éléments de calage 2 de sorte qu'ils peuvent être réalisés en un matériau thermiquement isolant compressible. Le matériau thermiquement isolant compressible peut être par exemple un matériau fibreux constitué de fibres de verre, de fibres de carbone, de fibres de roche, ou de fibres de chanvre. Le matériau thermiquement isolant compressible peut encore être par exemple de type super isolant micro-poreux ou encore à base de perlite, diatomite ou silicate de calcium. Les éléments thermiquement isolants 1 en matériau compressible présentent un coefficient d'isolation thermique élevé de sorte qu'une faible épaisseur de ce matériau compressible suffit à assurer une bonne isolation thermique de la paroi du caisson qu'ils recouvrent. Les éléments de calage 2 comprennent un matériau réfractaire, tel que de la brique réfractaire silico-alumineuse ou des plaques de mica. Les éléments de calage doivent protéger les éléments thermiquement isolants d'un écrasement et contribuer avantageusement à l'isolation thermique. Ces éléments de calage 2, de même que les éléments de protection 4, présentent globalement des propriétés d'isolation thermique inférieures à celles des éléments thermiquement isolants 1, même s'ils restent de bons isolants. Ils présentent une conductivité thermique inférieure à 2 W/m.K. La longueur de chaque élément thermiquement isolant 1, mesurée selon l'axe longitudinal de la paroi 3 du caisson 200 (axe x, figure 1), est alors choisie pour être plus importante que celle de chaque élément de calage 2. Typiquement, un rapport de longueur de un pour quatre et de préférence de un pour cinq est appliqué pour l'obtention d'une réduction optimale de perte thermique au niveau des parois 3 du caisson 200. Par ailleurs, l'épaisseur de chaque élément de calage 2 est égale ou supérieure à celle de l'élément thermiquement isolant 1. De plus, la distance prévue entre deux éléments de calage 2 adjacents est inférieure à la longueur d'un bloc de parement interne 5 selon l'axe longitudinal x de la paroi 3 du caisson 200 de sorte qu'un bloc de parement interne 5 peut prendre appui contre au moins deux éléments de calage 2. Ainsi, chaque bloc de parement interne 5 repose contre au moins deux éléments de calage 2. Ces derniers présentent une résistance à la compression supérieure à 10 MPa de sorte qu'ils sont suffisament rigides et incompressibles pour éviter que les blocs de parement interne 5 ne tassent les éléments thermiquement isolants 1 en matériau compressible qui présenteraient sinon des propriétés d'isolation thermiques diminuées. Le bloc de parement interne 5 est en un matériau à base de carbone. Il a pour vocation de contribuer à protéger la paroi 3 du caisson 200 et les éléments thermiquement isolants 1 de la corrosion par l'aluminium liquide et/ou le bain électrolytique de température très élevée. Il est destiné à recouvrir la totalité des éléments thermiquement isolants 1, des éléments de calage 2 et au moins une partie des éléments de parement externe 6. Comme illustré à la figure 2, des éléments de protection 4 peuvent être introduits entre les éléments thermiquement isolants 1 et les blocs de parement interne 5, dans l'espace ménagé entre deux éléments de calage 2 adjacents. Chaque élément de calage 2 présente en effet une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur cumulée d'un élément de protection 4 et d'un élément thermiquement isolant 1. Ces éléments de protection 4 , qui sont en matériau réfractaire, permettent de protéger l'isolation dans le temps et de compléter l'isolation thermique fournie par les éléments thermiquement isolants 1. Les éléments de protection 4 peuvent être de même composition que les éléments de calage 2. Comme illustré à la figure 3, des plaques de parement externe 6 en matériau à base de carbure de silicium (SiC), d'une épaisseur sensiblement identique à celle des éléments de calage 2, recouvrent la tranche latérale supérieure des éléments thermiquement isolants 1, des éléments de calage 2 et des éléments de protection 4 entre la paroi 3 intérieure du caisson 200 et les blocs de parement interne 5. Cet agencement permet de protéger les différents éléments vis-à-vis de la corrosion et d'assurer à l'endroit approprié un échange thermique approprié entre le bain électrolytique, la paroi du caisson et l'atmosphère extérieure pour la création d'un talus de cryolithe protégeant les blocs de parement interne 5. Selon une possibilité non illustrée, toutes les parois 3 latérales du caisson sont recouvertes par les éléments thermiquement isolants 1, les éléments de calage 2, les éléments de protection 4, les blocs de parement interne 5 et les plaques de parement externe 6 . Ainsi, le caisson 200 présente un profil thermique optimale. La figure 4 est une vue partielle en section de la cuve d'électrolyse illustrant le caisson 200, les éléments thermiquement isolants 1 apposés directement contre une paroi 3 du caisson 200 et adjacents à des éléments de protection 4, protégés par des blocs de parement interne 5 et des plaques de parement externe 6. Ainsi, la présente invention propose une cuve d'électrolyse dotée d'un revêtement latéral d'isolation permettant de réduire efficacement la perte thermique grâce à une isolation optimale et peu encombrante. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS1. Cuve d'électrolyse (100) destinée à contenir un bain électrolytique comprenant un caisson (200) comportant des parois latérales (3) et un revêtement latéral d'isolation recouvrant les parois latérales (3), caractérisée en ce que le revêtement latéral d'isolation comprend : des éléments thermiquement isolants (1) en matériau compressible , et des éléments de calage (2) en matériau réfractaire présentant au moins une face latérale, les éléments thermiquement isolants (1) et les éléments de calage (2) étant apposés de façon alternée contre au moins une paroi latérale (3) du caisson (200), et des blocs de parement interne (5) agencés pour protéger le caisson (200), les éléments thermiquement isolants (1) et les éléments de calage (2) du bain électrolytique, la distance entre deux éléments de calage (2) adjacents étant adaptée de sorte que chaque bloc de parement interne (5) prend appui contre la face latérale d'au moins deux éléments de calage (2).2. 3. 4. 5. 6. Cuve d'électrolyse (100) selon la revendication 1, dans laquelle le revêtement latéral d'isolation comprend en outre des éléments de protection (4) en matériau réfractaire disposés entre les éléments thermiquement isolants (1) et les blocs de parement interne (5). Cuve d'électrolyse (100) selon la revendication 2, dans laquelle l'espace entre deux éléments de calage (2) adjacents loge des éléments de protection (4). Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 2 à 3, dans laquelle chaque élément de calage (2) présente une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur cumulée d'un élément thermiquement isolant (1) et d'un élément de protection (4) de sorte que les éléments thermiquement isolants (1) sont libres de compression. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 2 à 4, dans laquelle les éléments thermiquement isolants (1) présentent un coefficient d'isolation thermique supérieur à celui des éléments de calage (2) et à celui des éléments de protection (4). Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle la longueur de chaque élément thermiquement isolant (1), mesurée selon l'axe longitudinal de la paroi (3) respective du caisson (200), est supérieure à celle de chaque élément de calage (2).7. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle la longueur de chaque élément thermiquement isolant (1), mesurée selon l'axe longitudinal de la paroi (3) respective du caisson (200), est au moins quatre fois plus importante que celle de chaque élément de calage (2). 8. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle le revêtement latéral d'isolation comprend en outre des plaques de parement externe (6) s'étendant contre la au moins une paroi (3) latérale du caisson (200) et disposées à l'aplomb au-dessus des éléments de calage (2) et des éléments thermiquement isolants (1). 9. Cuve d'électrolyse (100) selon la revendication 8, dans laquelle les plaques de parement externe (6) sont en carbure de silicium. 10. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 8 ou 9, dans laquelle chaque plaque de parement externe (6) présente une épaisseur sensiblement identique à celle de chaque élément de calage (2). 11. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle le matériau compressible des éléments thermiquement isolants (1) est en matériau fibreux, tel qu'un matériau de fibres de verre, de fibres de carbone, de fibres de roche, ou de fibres de chanvre de type super isolant micro-poreux ou à base de perlite, diatomite ou silicate de calcium. 12. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 11, dans laquelle les éléments de calage (2) montrent une résistance à la compression supérieure à 10MPa. 13. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 12, dans laquelle les éléments de calage (2) présentent une conductivité thermique inférieure à 2 W/m.K 14. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 13, dans laquelle les éléments de calage (2) sont constitués de briques réfractaires silico-alumineuse ou de plaques de mica. 15. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 14, dans laquelle le matériau compressible des éléments thermiquement isolants (1) présente une conductivité thermique inférieure à 0.5W/m.K . 16. Cuve d'électrolyse (100) selon l'une des revendications 1 à 15, dans laquelle les blocs de parement interne (5) sont à base de carbone.