FR 2560613 A2 19850906 FR 8403864 A 19840302 _1] _ t25606 13 PERFECTIONNEMENT AUXBARRES CATHODIQUES COMPORTANT UNE SEMELLE METALLIQUE, POUR CUVES D'ELECTROLYSE HALL-HEROULT La présente invention concerne un perfectionnement aux barres cathodiques comportant une semelle métallique, destinés aux cuves pour la production d'aluminium par électrolyse selon le procédé Hall-Héroult. Elle constitue une addition à la demande de brevet 83-08334 déposée le 16 mai 1983. La cathode d'une cuve d'électrolyse Hall-Héroult est constituée par la juxtaposition d'un ensemble de blocs carbonés, munis, à leur base infé- rieure, d'une (ou parfois deux) rainure(s) ouverte(s) dans lesquelles sont scellées, généralement par coulée de fonte, des barres d'acier de section carrée, rectangulaire ou circulaire, sur lesquelles sont raccordés les conducteurs de liaison entre les cuves successives formant une série. Les barres d'acier servant à l'extraction du courant cathodique offrent donc une surface de contact limitée avec le carbone, ce qui provoque une chute de tension non négligeable à l'interface carbone/fonte. Pour réduire cette chute de tension, il est également connu d'augmenter la section de la barre d'acier, au moins dans la zone scellée dans le carbo- ne, tout en gardant une section normale ou rétrécie à la traversée de la partie extérieure du calorifugeage de la cuve, de façon à éviter des fui- tes thermiques trop importantes. Cependant, une telle action est forcément-limitée, car l'épaisseur de car- bone des ailes de la rainure doit être suffisante pour résister mécanique- ment aux contraintes dues à la dilatation thermique de la barre cathodique et de son scellement, lors de la mise en régime de la cuve. L'invention, objet de la demande de brevet principal a pour but d'augmen- ter de façon substantielle (plus de 10 %) la section d'acier disponible pour l'évacuation du courant cathodique, et la surface de contact entre le carbone et les conducteurs cathodiques. Elle consiste à munir chaque barre cathodique d'une semelle métallique, en contact électrique avec la base horizontale de chaque bloc carbone, la semelle étant soudée à la barre ca- thodique pour assurer le passage du courant électrique. 2560 6 1 3 -- 2 -- De façon plus précise, elle est caractérisée en ce que la barre cathodi- que se prolonge par une semelle métallique en contact électrique avec la base des blocs carbones sur au moins 20 % de la surface totale de cette base. La semelle est constituée par une tôle métallique d'une épaisseur au moins égale à 4 mm, et, de préférence, au moins égale à 10 mm, soudée à la barre cathodique avant la mise en place du bloc carboné dans la cuve. Par ailleurs, on a décrit et revendiqué, dans la demande de brevet 8308333, déposée également le 16 mai 1983, un écran métallique continu en acier, destiné à empêcher l'infiltration du métal et des constituants du bain d'électrolyse dans le garnissage réfractaire et calorifuge du caisson des cuves pour la production d'aluminium, cet écran étant placé sous la base des blocs carbonés constituant la cathode de la cuve d'électrolyse et dans lesquels sont scellées les barres cathodiques, et s'étendant au moins sur tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisé en ce qu'il est constitué par au moins une tôle d'acier continue dont au moins la moi- tié de la surface est constituée: par une partie ayant au moins 5 mm, et de préférence de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone d9formable absorbant les contraintes dues aux écarts de température entre la partie centrale, située à l'aplomb de la cathode, et la partie pgriphé- rique.moins chaude. OBJET DE L'INVENTION La présente invention consiste à mettre la semelle métallique qui prolon- ge chaque barre cathodique, en relation superposée et en contact îlectri- que avec l'écran.métallique continu. La liaison électrique entre la semelle et l'écran peut être assurée par une soudure, par exemple, par un cordon continu ou discontinu entre au moins un rebord de la semelle et l'écran continu. Elle peut, également, être assurée par la fusion d'un alliage de brasure préalablement dispose entre la semelle et l'écran continu, les points de solidus et de liquidus de cet alliage étant convenablement choisis. 2560 6 1 3 -3 - Les figures 1 et 2 rappellent l'art antérieur que constitue la demande de brevet principal et la demande de brevet 83-08333. Les figures 3 à 6 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. La figure 1 est identique à la figure 4 de la demande de brevet principale 83-08334, et montre en coupe verticale, les semelles (5) disposées sous les barres cathodiques (2) de deux blocs carbonés adjacents (1) liés par un garnissage (3) de pate carbonée. Les barres cathodiques sont scellées de façon habituelle, avec de la fonte (4). La figure 2, qui est identique à la figure 4 de la demande de brevet an- térieur 83-08333, montre, en coupe, la position de l'écran d'acier (6) disposé dans la zone sous-cathodique au niveau du garnissage isolant ther- mique (10) et montre également deux blocs cathodiques adjacents (1), munis de semelles (5) soudées (8). Le tube (7) constitue une zone d'absorption des déformations éventuelles de l'écran (6) du fait des contraintes ther- miques. La figure 3 montre un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, selon lequel la semelle (5) de chaque barre cathodique (2) est posée directement sur l'écran continu (6) en acier épais, auquel elle est reliée par soudure (9) ou par brasure (16). L'avantage de cette disposition est que l'écran continu en acier épais est, en tous points, au potentiel électrique des barres cathodiques, ce qui élimine tout effet de pile électrochimique générateur de corrosion ra- pide. L'épaisseur de l'écran est d'au moins 5 mm, et, de préférence, com- prise entre 8 et 12 mm. La semelle, conformément à ce qui est indiqué dans le brevet principal, a une épaisseur au moins égale à 4 mm, et, de préfé- rence, au moins égale à 10 mm. La figure 4 montre comment ce dispositif peut être mis en place lors de la construction de la cuve. La barre cathodique (2) a été mise en place et scellée à la fonte (4) dans chaque bloc cathodique (1). Puis on soude, en (8), une semelle (5) dont la longueur est au plus égale et, en pratique légèrement inférieure à l'entraxe de deux barres successives. Le bloc est 2560 6 1 3 -- 4 -- alors posé sur l'écran (6), reposant sur la couche isolante (10), et soud6e en-(9), de préférence par un cordon continu, de façon à assurer un bon contact électrique. Pour la pose du premier et du dernier bloc, on peut être amené à modifier la longueur et la disposition des semelles pour faciliter l'assemblage. Il est possible de réaliser la liaison électrique entre la semelle (5) et l'écran (6) par brasage au moyen d'un alliage (16), ayant un point de so- lidus et un point de liquidus convenablement choisi, interposé entre la semelle et l'écran. Cet alliage de brasure doit remplir les conditions suivantes: 1. Sa température de solidus (= température de solidification finissante) doit être supérieure à environ 600 C et de préférence 650 C, de façon qu'à la première mise en service de la cuve, il autorise les déplacements rela- tifs entre les semelles (5) et l'écran (6), provoqués par les dilatations différentielles entre les blocs et barres cathodiques munis de leurs se- melles, et l'écran continu. Si la brasure est introduite sous forme d'un lit pulvérulent, ou en grains très fins, d'alliage restant solide jusque vers 650 C, cette condition pourra être remplie. 2. Cette même température de solidus ne doit pas, de préférence, excéder la température atteinte par les semelles en régime de marche continue, c'est-à-dire environ 850 à 920 C, afin que l'alliage de brasure se liqué- fie au moins partiellement pendant la mise en température, lors du démar- rage de la cuve. Il se produit alors une soudure par interdiffusion métal- lique entre les tôles d'acier des semelles (5) et de l'écran (6) lors de cette fusion au moins partielle de l'alliage intermédiaire. Ceci implique que: - l'un au moins des éléments d'alliage soit suffisamment soluble dans le fer, à l'état solide, dans un domaine de température correspondant aux températures de fonctionnement des semelles et de l'écran; - le fer soit au moins partiellement soluble dans l'alliage intermédiaire liquide, pour que la soudure soit effective après que les éléments d'al- liage de la brasure aient été absorbes par une diffusion dans l'acier solide: on réalise de fait une fusion superficielle de l'acier par _5_ 2560613 l'alliage, cet alliage disparaissant ensuite par diffusion dans l'acier, et laissant en place une soudure solide. 3. L'alliage, ou l'un de ses constituants, ne doit pas favoriser l'oxyda- tion de l'acier. 4. L'alliage, ou l'un de ses constituants, ne doit pas favoriser une fra- gilisation m6canique ou chimique de l'acier. 5. Enfin, pour la pratique industrielle, le coût de cet alliage doit être modér6. Les compositions optimales de la brasure pour la mise en oeuvre de l'inven- tion comportent au moins 50% d'un premier métal choisi parmi l'aluminium, le cuivre et le zinc, le reste étant au moins un second m6tal choisi parmi le manganèse, le nickel, le vanadium, le beryllium, le silicium, l'6tain et le titane, ainsi que l'aluminium et le cuivre si le premier m6tal n'est pas le cuivre-ou l'aluminium. TABLEAU I Exemples ALLIAGE (% erk poids) T solidus T Liquidus 1 Al = 83 + 3 % Mn = 17 + 3 % 659 à 822 822 à 880 2 Al = 68 + 3 % Ni = 32 + 3 % 640 à 854 854 à 980 3 Al = 97 + 1% V = 3 + 1 % 662 à 735 750 à 950 4 Al = 90 + 2 % Fe = 10 + 2 % 655 850 à 950 Cu = 96,5+ 1% Be = 3,5% 1 % 866 866 à 950 6 Cu = 65 + 3 % Mn = 35 + 3 % 870 870 7 Cu = 75 + 2 % A1 = 25 + 2 % 624 à 848 850 à 950 8 Cu = 84 +2 % Si = 16 +2 % 802 802 à 860 9 Cu = 80 +2 % Sn = 20 +2 % 798 798 à 920 Cu = 76 + 3 % Ti = 24 + 3 % 880 880 à 892 il Zn = 60 + 4 % Mn = 40 + 4 % 750 à 835 - 835 à 960 12 Zn = 71 + 2 % Cu = 29 + 2 % 700 700 à 810 Parmi ces alliages, les compositions n 1,3, 6 et 7 conviennent particuliè- rement bien, dans la pratique industrielle. Certains sont fragiles et peu- vent être broyées jusqu'à la finesse désirée, d'autres doivent être trai- tees de façon connue, par pulv6risation à l'état liquide. Si la composition de l'alliage le permet, la brasure peut être utilisée sous forme d'une feuille mince, laminée, introduite au montage entre la semelle et l'écran. La présence, parmi les constituants principaux ou -6 secondaires de l'alliage, d'un métal réducteur vis à vis d'oxyde de fer (calamine) qui recouvre le plus souvent les plaques d'acier utilisées pour constituer la semelle ou l'écran (métal tel que Al et/ou Si) dispense d'utiliser tout autre décapant pour favoriser l'étalement de la brasure lorsqu'elle passe à l'état liquide. Il est également possible en variante de l'invention de confondre la se- melle (5) et l'écran (6) en une seule partie, constituée par une tôle d'acier épaisse (11), comme on l'a représenté sur les fig. 5 et 6, qui peut être munie de joints ou de zones déformables, capables de supporter les dilatations thermiques, par exemple le tube (7) de la figure 2. Dans un tel cas, l'épaisseur de l'écran peut se situer entre 10 et 20 mm. Pour le montage, les barres (2) sont positionnées sur l'écran (11), puis raccordées par un cordon de soudure (12). Après quoi, les blocs cathodiques (1) sont mis en place, le scellement étant assuré par de la pâte carbonée (13). Le raccordement peut aussi être effectué par une brasure (16). On peut en outre interposer, entre les blocs carbonés (1) et l'écran (ll) une couche (14) de matériau souple et bon conducteur électrique, par exemple le "Papyex" (marque déposée par la Société "Le Carbone-Lorraine") qui est une feuille de graphite souple ou le feutre de graphite RVG, de la même société. La figure 6 représente un autre mode d'assemblage, selon lequel les ba- ses cathodiques (2) sont disposées non plus à l'aplomb de l'axe du bloc (1), mais à cheval sur deux blocs adjacents à l'aplomb du joint entre ces deux blocs. L'avantage de cette disposition est que la pâte carbonée (13) assurant le scellement entre les blocs (1) et les barres (2) peut être injectée, à chaud, dans l'espace (3) séparant deux blocs adjacents. La mise en oeuvre de l'invention procure et amplifie tous les avantages déjà mentionnés dans le brevet principal, et qui sont les suivants: l - La semelle métallique, sur chaque barre cathodique (une cuve peut en comporter plusieurs dizaines) augmente d'au moins 10 % et jusqu'à 20 à % la section de passage du courant cathodique et la surface de contact 2560 6 1 3 - 7- acier-carbone avec réduction corrélative de la chute de tension au con- tact acier-carbone. 2 - La semelle métallique associée à l'écran assure une très bonne répar- tition du courant sur toute la surface de la cathode d'o réduction des courants horizontaux dans l'aluminium liquide, qui ont une influence né- faste sur la stabilité et le rendement de la cuve, en raison des effets tourbillonnaires dans la nappe d'aluminium liquide qui en résultent. 3 - La semelle métallique associée à l'écran assure également une excel- lente homogénéité de la température de l'ensemble de la cathode, ce qui réduit d'autant les risques d'infiltration dans les zones chaudes et de condensation dans les zones relativement plus froides. 4 - En cas de rupture d'une barre cathodique (par corrosion sous l'effet des infiltrations de cryolithe et d'aluminium liquide dans les joints), la semelle fonctionne pour le bloc considéré comme collecteur de secours, ce qui retarde d'autant le momeint o il faudra arrêter et démonter la cu- ve pour refaire la cathode. En outre, le déséquilibre électrique de la cuve est limité, ce qui est favorable pour le rendement FARADAY pendant la période séparant la rupture d'une barre et l'arrêt de la cuve. En outre, l'association de la fonction "semelle" avec la fonction "écran" permet: 1. De bloquer toutes les infiltrations des produits sodo-fluorés et de la cryolithe en direction de l'isolant thermique (10) placé sur le fond (15) du caisson, qui sont la principale cause de mise hors-service des cuves d' électrolyse. 2. De faciliter la construction de la cathode qui, dans le cas de la figu- re 3, par exemple, ne nécessite, par rapport aux solutions antérieures, qu'un simple cordon de soudure (9) supplémentaire, qui est réalisé à plat et dans un espace accessible, ou qu'une application de brasure en poudre. 3. De simplifier plus encore la construction de la cathode dans le cas o la semelle et l'écran sont confondus en une pièce unique (fig. 5 et 6). 25606 13 -8- 4. De supprimer le risque de corrosion électrochimique de l'écran (6) du fait qu'il se trouve, en tous points, au potentiel des barres cathodiques. La mise en oeuvre de l'invention contribue à augmenter la durée de vie utile des cuves d'électrolyse et à maintenir la bonne isolation thermique du fond pendant la durée de vie. 9- REVENDICATIONS 1. Barre cathodique assurant l'extraction du courant d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procèdé Hall-Hgroult, scellée dans au moins une rainure ouverte à la base de chacun des blocs carbones (1) formant la cathode de la cuve d'électrolyse, dont le fond comporte un garnissage (10) de matériau isolant thermique, ladite barre cathodique (2) étant prolongée par une semelle métallique (5) dont la face supérieure est en contact électrique avec la base des blocs carbonés (1) sur au moins 20 Z de la surface totale de cette base, selon la revendica- tion 1 du brevet principal, caractérisé en ce que la face inférieure de la semelle (5) est placée en relation superposée et en contact électrique avec un écran métallique (6), épais, continu, disposé à la partie supérieure du garnissage isolant thermique (10). 2. Barre cathodique, selon revendication 1, caractéris6e en ce que la liaison électrique entre la semelle (5) et l'écran (10) est assurée'par soudure. 3. Barre cathodique, selon revendication 2, caractérisée en ce que la sou- dure est obtenue par un cordon de soudure continu ou discontinu entre au moins un bord de la semelle (5) et l'écran(6). 4. Barre cathodique, selon revendication 2, caractérisée en ce que la soudure est assurée par la fusion d'un alliage de brasure préalablement placé entre la semelle et l'écran continu. 5. Barre cathodique, selon revendication 4, caractérisée en-ce que l'al- liage de brasure a un point de solidus compris entre 600 et [920 C, et, de préférence, entre 650 et 8500C. 6. Barre cathodique, selon revendication 4, caractérisée en ce que l'al- liage de brasure comporte au moins 50 % d'un premier métal choisi parmi l'aluminium, le cuivre et le zinc, le reste étant au moins un second métal choisi parmi le manganèse, le nickel, le vanadium, le beryllium, le sili- cium, l'étain et le titane, ainsi que l'aluminium et le cuivre si le pre- mier métal n'est pas le:cuivre ou l'aluminium. 2560 6 1 3 7. Barre cathodique, selon revendications] ou 2, caractérisée en ce que l'écran (6) comporte des moyens tels que (7) pour absorber les dilatations et les contraintes thermiques. 8. Barre cathodique, selon revendication 1, caractérisée en ce que la se- melle (5) et l'écran (6) sont confondus en une plaque unique (11), en con- tact direct avec chaque barre cathodique, à laquelle elle est reliée par soudure ou brasure et munie de moyens tels que (7) pour absorber les di- latations et les contraintes thermiques. 9. Barre cathodique, selon revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est disposée à l'aplomb de l'axe de chaque bloc cathodique (1). 10. Barre cathodique, selon revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est disposée à l'aplomb du joint séparant deux blocs cathodiques adjacents. 11. Barre cathodique, selon revendication 8, caractérisée en ce qu'elle est scellée au bloc (1) par une pâte carbonée ultérieurement cuite en place.