Brevet FR3076299A1 — publié le 20190705

" ROULEAUX CONDUCTEURS DE COURANT " [0001] L'invention s'inscrit dans le domaine des rouleaux conducteurs de courant, par exemple pour lignes d'electrolyse. [0002] Dans l'industrie metallurgique, un procede d'electrolyse en continu est utilise pour le revetement de bandes d'acier par une couche de metal depose, comme le nickel, retain, ou le chrome. [0003] Les lignes de depots electrolytiques sont constituees de plusieurs cellules de traitement. Chaque cellule comprend un bain dans lequel la bande d'acier est plongee et avance avant de ressortir. La progression de la bande se fait a l'aide de rouleaux, dont l'un est un rouleau conducteur qui sert de cathode, pour polariser le metal de la bande en sorte de provoquer le depot des ions metalliques a sa surface. [0004] Ainsi, chaque cellule est composee d'une cuve contenant relectrolyte, d'anodes, d'un rouleau de fond de bac et d'un rouleau conducteur assurant la fonction de cathode. [0005] De tels rouleaux comprennent une partie centrale ayant la forme d'un cylindre de revolution qui constitue la partie du rouleau intervenant dans relectrolyse, appelee generalement "table" du rouleau. Le rouleau porte aussi deux demi-arbres, ou tourillons, disposes respectivement de part et d'autre de la table et coaxiaux a celle-ci. Les tourillons sont en acier, et presentent un diametre qui peut varier le long de l'axe, qui est inferieur a celui de la partie centrale, et qui diminue par etage en s'eloignant de la table. Un ou plusieurs balais electriques en contact sur des collecteurs electriques des tourillons permettent la fermeture du circuit electrique. Les tourillons guident le rouleau en rotation et amenent le courant electrique a la table. [0006] Les rouleaux sont traverses par un canal axial permettant une circulation d'eau de refroidissement. Un refroidissement du rouleau doit etre assure tout particulierement au niveau de la zone de collecteur formee sur les tourillons. [0007] Afin que le courant circule favorablement dans le rouleau, it faut utiliser, dans sa constitution, outre l'acier, des metaux electriquement conducteurs comme le cuivre, ('aluminium ou ('argent. 2 [0008] On connait des technologies, maintenant relativement anciennes, par lesquelles du cuivre electrolytique etait depose sur un corps de rouleau en acier. [0009] Cette technique est longue a mettre en oeuvre au stade de la fabrication ou de la reparation, et de plus l'epaisseur de cuivre deposee en surface du rouleau a une 5 resistance mecanique faible, ce qui cause rapidement une usure importante. II fallait par consequent compter d'assez nombreux rouleaux pour assurer le fonctionnement continu de chaque cellule d'electrolyse, car des qu'un rouleau etait use, il fallait ('immobiliser assez longtemps pour le reparer, et donc it etait necessaire de disposer immediatement d'un ou plusieurs rouleaux de remplacement. 10 [0010] Une autre technologie, avantageuse et plus recente, utilise un materiau conducteur de courant, comme le cuivre, ('aluminium ou ('argent, mais celui-ci est totalement integre dans le corps du rouleau en acier, et donc protégé des agressions mecaniques. II peut etre present sous la forme d'une frette ou armature centrale, de forme cylindrique de revolution, d'axe l'axe du rouleau. La frette par exemple en cuivre est 15 presente au moins sur une partie de la longueur du rouleau. [0011] En tout etat de cause, ('electrolyse consomme des puissances energetiques importantes, et il y a une forte circulation d'electricite, pouvant causer des deperditions energetiques par effet joule. Cela est notamment critique avec les nouvelles solutions electrolytiques imposees par la reglementation environnementale, ainsi qu'au vu de la 20 necessite d'augmenter les cadences de defilement de la bande metallique. [0012] La presente invention a pour but de proposer un nouveau rouleau conducteur de courant qui ameliore la performance energetique de la technique anterieure. [0013] II est propose un rouleau conducteur de courant pour ligne d'electrolyse en continu, comprenant un tourillon en acier conduisant le courant d'un collecteur a une table 25 du rouleau. [0014] De maniere remarquable, le tourillon comprend, au moins sur une partie de sa longueur, une frette interne en cuivre dont le diametre a ete optimise pour maximiser la somme des courants pouvant circuler dans le corps en acier et la frette en maintenant les intensites par unite de surface de section dans le cuivre et dans l'acier en dessous de deux valeurs respectives et en maintenant la resistance mecanique du tourillon. 3 [0015] Par calcul, les sections du materiel conducteur de courant et de l'enveloppe acier sont definies afin d'optimiser le passage de courant avec le minimum de deperdition energetique par effet Joule, mais aussi de respecter les caracteristiques de resistance mecanique du rouleau et garantir sa facilite de reparation. 5 [0016] Cette technique permet de garantir la continuite electrique, quelles que soient les conditions d'utilisation et de maintenance ainsi qu'une resistance mecanique importante. [0017] L'optimisation des caracteristiques electriques obtenue par calcul, tout en respectant les caracteristiques mecaniques, permet aux rouleaux conducteurs de passer plus de courant tout en permettant de nombreuses operations de maintenance. 10 [0018] Selon des caracteristiques avantageuses et optionnelles : [0019] - la frette interne en cuivre est protegee par un fourreau ; [0020] - le fourreau est en acier inoxydable ; [0021] - la surface externe du corps en acier est chromee ; [0022] - la surface externe du tourillon est pourvue de filetages ; 15 [0023] - le rouleau comprend un depot externe de chrome ou de carbure de tungstene sur la table du rouleau ; [0024] - les valeurs respectives sont 1,55 Airnm2 pour le cuivre et 0,26 Airnm2 pour l'acier. [0025] L'invention concerne aussi un procede de fabrication d'un rouleau conducteur de 20 courant pour ligne d'electrolyse en continu, comprenant un tourillon en acier conduisant le courant d'un collecteur a une table du rouleau, le tourillon comprenant, au moins sur une partie de sa longueur, une frette interne en cuivre. [0026] Le procede comprend une etape d'optimisation pour maximiser la somme des courants pouvant circuler dans le corps en acier et la frette en maintenant les intensites 25 par unite de surface de section dans le cuivre et dans l'acier en dessous de deux valeurs respectives et en maintenant la resistance mecanique du tourillon. 4 [0027] La frette interne en cuivre est protegee par un fourreau en acier inoxydable. Le fourreau en combinaison avec des rondelles empeche toute corrosion des frettes internes en cuivre. [0028] L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caracteristiques, details et 5 avantages de celle-ci apparaitront plus clairement dans la description explicative qui va suivre faite en reference aux dessins annexes donnes uniquement a titre d'exemple illustrant un mode de realisation de l'invention et dans lesquels : - La figure 1 est une vue d'un mode de realisation de l'invention ; - les figures 2 et 3 sont des vues de details dudit mode de realisation de l'invention ; 10 - la figure 4 est une autre vue du mode de realisation de l'invention, montrant plus particulierement le tourillon. [0029] En figure 1, le rouleau conducteur de courant 200 comprend une partie centrale 210 prolongee respectivement, a ses extremites, par deux tourillons 220. [0030] La partie centrale 210 du rouleau est formee d'un manchon en acier cylindrique 15 de revolution autour d'un axe. Le cas echeant, la partie centrale 210 peut etre munie d'un revetement 214, par exemple un revetement en cuivre depose par electrodeposition. [0031] Les rouleaux sont en effet formes dans certaines technologies d'un corps en acier pourvu d'un revetement externe en cuivre. Le corps en acier est lui-meme emmanche a chacune de ses extremites sur un des deux tourillons coaxiaux, et soude a ses extremites 20 sur ceux-ci. [0032] Le revetement de cuivre est dans ce cas forme par electrodeposition. Dans cette technologie ancienne, la realisation du revetement de cuivre est longue et coOteuse, compte-tenu des epaisseurs imposees par les amperages requis pour ('electrolyse en ligne, qui etaient compris generalement entre 12 000 et 18 000 amperes, et qui peuvent 25 etre ramenes a des valeurs plus faibles, de l'ordre de 10 000 amperes mais en multipliant les cellules d'electrolyse installees en serie. [0033] Le revetement de cuivre peut etre remplace par un revetement de chrome ou un revetement de carbure de tungstene. 5 [0034] Comme cela est visible en figure 4, une frette interne 230 en cuivre peut etre placee dans un alesage borgne du corps en acier, s'etendant sur la majeure partie de la longueur du tourillon 220, typiquement 75%. [0035] Le tourillon 220 presente de preference une section etagee sur sa longueur et sa 5 surface exterieure, visible, est en acier inoxydable, eventuellement chrome en surface. Pour l'essentiel, la section etagee du corps en acier est de dimension croissante a partir de l'extremite axiale du tourillon 220 vers la partie centrale 210. [0036] Un fourreau 260, de preference realise en acier inoxydable, peut etre assemble par frettage a l'interieur de la frette en cuivre 230. II est destine a proteger la frette en 10 cuivre 230 de l'eau de refroidissement circulant dans le canal central du rouleau et de l'acide chromique utilise, le cas echeant, pour la refection du rouleau. Pour cela, II peut posseder une longueur superieure a la frette en cuivre 230 et emerger axialement sur chacune des extremites de celle-ci. Ce fourreau a une forme cylindrique de revolution et est complementaire de la surface interne des frettes pour un contact serre. 15 [0037] La disposition a pour but de permettre ('assemblage de la frette interne en cuivre 230 dans l'alesage borgne du corps en acier du tourillon en garantissant un contact etroit entre la paroi externe de la frette interne en cuivre 230 et la paroi interne du corps en acier. [0038] Un joint compressible 240 peut etre intercale entre le fond de l'alesage borgne et 20 l'extremite correspondante de la frette interne en cuivre, comme cela est visible en figure 4. Le joint compressible peut etre apte a expansion radiale lors d'une compression axiale. Le joint 240 est adapte a la geometrie de l'alesage. II s'agit de preference, d'un joint en silicone a !byres. [0039] Dans une variante, l'un au moins des deux tourillons 220 est muni axialement 25 d'au moins un alesage traversant 250 s'etendant dans une direction generale radiale. Cet alesage est congu pour debaucher dans une boite a eau destinee a recuperer l'eau de refroidissement circulant dans le passage central du rouleau. Cheque tourillon 220 peut posseder au moins deux alesages radiaux debouchant dans la boite a eau. [0040] L'utilisation d'une telle boite a eau permet de liberer la surface du tourillon 220, 30 pour equiper par exemple celle-ci de moyens d'entrainement en rotation. 6 [0041] La surface en acier des tourillons 220 peut etre munie de portees pour des joints associes a un roulement place entre ces portees. La surface externe en acier des tourillons 220 peut etre munie egalement d'un filetage F destine a recevoir un ecrou servant au serrage de ce roulement. Les portees peuvent etre formees par exemple en 5 chrome, ou a l'aide d'une bague en acier inoxydable, ou encore a l'aide d'une bague en acier inoxydable revetue d'oxyde de chrome. La coupe est visible en figure 2. [0042] L'extremite axiale des tourillons 220 est adaptee de facon pour recevoir les moyens d'entrainement a rotation. L'extremite des tourillons 220 peut ainsi etre munie d'un taraudage et d'un filetage externe, pour recevoir un bouchon d'etancheite, et un ecrou de 10 serrage de la boite a eau, et les moyens d'entrainement. [0043] Une portee de collecteur C peut etre formee entre le filetage F et la boite a eau B. Cette portee de collecteur C peut etre formee par depot d'argenture ou de cuivre par electrolyse par exemple. La frette interne 230 en cuivre est au droit de toute l'etendue du collecteur C. 15 [0044] Pour renforcer le contact electrique, on peut inserer un depot d'argenture entre le corps d'acier des tourillons et les frettes internes 230. Le depot d'argenture peut etre realise sur la surface externe des frettes, ou sur la surface interne des tourillons. [0045] L'utilisation d'une frette interne en cuivre et d'un fourreau, outre le fait qu'elle autorise une fabrication rapide et economique, permet de garantir le passage de l'intensite 20 electrique requise. En effet, grace a la protection formee par le fourreau 260, on empeche toute corrosion entre le corps en acier des tourillons et les frettes 230. [0046] De preference un embout est rapporte par frettage et fixe par soudure sur chaque extremite des tourillons (figure 3). [0047] Suivant ('invention, on recherche une faible valeur d'amperage dans les materiaux 25 afin de limiter au maximum l'effet Joule. [0048] Ce possible echauffement qui serait provoque par un fort amperage dans l'art anterieur, provoque une dilatation des materiaux constituant le rouleau conducteur et ses accessoires (paliers, collecteurs electriques notamment) et donc dans certains cas des pertes de contact electrique. 7 [0049] Dans la frette de cuivre la valeur de conductivite electrique est de 58 m/(0 mm2). Dans la partie en acier du tourillon la valeur de conductivite electrique est de 7,7 m/(0 mm2). [0050] On utilise des valeurs d'intensite par unite de surface faibles comme ci-dessous : 5 [0051] Pour le cuivre, une valeur maximale de 1,55 Airnm2, et pour l'acier, moins conducteur que le cuivre, une valeur maximale de 0,26 A/mm2. Ces valeurs garantissent que le rouleau ne subit pas d'echauffement. [0052] On est alors en mesure de definir, pour un rouleau ayant un collecteur de portee de diametre 90 mm, avec une conduite interne cylindrique pour le liquide de 10 ref roidissement dont le diametre est de 25 mm, une section de cuivre de diametre externe egal a 65 mm, recouverte de l'acier du rouleau. [0053] II en resulte alors une section de cuivre de 3827 mm2, et une section minimale d'acier de 3043 mm2. [0054] Cela permet de faire passer dans le rouleau une intensite de 10348 A, repartie 15 sur les deux tourillons a parts egales de 5174 A par tourillon. Dans cheque tourillon, l'intensite se divise en 4383 A dans le cuivre et 791 A dans l'acier. REVENDICATIONS1. Rouleau conducteur de courant pour ligne d'electrolyse en continu, comprenant un tourillon (220) en acier conduisant le courant d'un collecteur (C) a une table (210) du rouleau, caracterise par le fait que le tourillon (220) comprend, au moins sur une partie de sa longueur, une frette interne en cuivre (230) dont le diametre a ete optimise pour maximiser la somme des courants pouvant circuler dans le corps en acier et Ia frette en maintenant les intensites par unite de surface de section dans le cuivre et dans racier en dessous de deux valeurs respectives et en maintenant Ia resistance mecanique du tourillon (220), les valeurs respectives etant 1,55 A/mm2 pour le cuivre et 0,26 A/mm2 pour racier, la section de cuivre etant de 3827 mm2 et une section minimale d'acier de 3043 mm2. 2. Rouleau selon la revendication 1, caracterise par le fait que Ia frette interne en cuivre (230) est protegee par un fourreau (260). 3. Rouleau selon la revendication 2, caracterise par le fait que le fourreau (150) est en acier inoxydable. 4. Rouleau selon rune des revendications 1 a 3, caracterise par le fait que la surface externe du corps en acier est chromee. 5. Rouleau selon Tune des revendications 1 a 4, caracterise par le fait que la surface externe du tourillon est pourvue de filetages (F). 6. Rouleau selon rune des revendications 1 a 5, caracterise par le fait qu'il comprend un depot externe de chrome ou de carbure de tungstene (214) sur la table (210) du rouleau.