CA1195950A - Elements cathodiques flottants, a base de refractaire electroconducteur, pour la production d'aluminium par electrolyse - Google Patents
Elements cathodiques flottants, a base de refractaire electroconducteur, pour la production d'aluminium par electrolyseInfo
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- CA1195950A CA1195950A CA000417481A CA417481A CA1195950A CA 1195950 A CA1195950 A CA 1195950A CA 000417481 A CA000417481 A CA 000417481A CA 417481 A CA417481 A CA 417481A CA 1195950 A CA1195950 A CA 1195950A
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Abstract
Eléments cathodiques flottants destinés à la production électrolytique d'aluminium par le procédé Hall Héroult dans une cuve d'électrolyse comportant un bain à base de cryolithe fondue, entre une anode carbonée, une nappe cathodique d'aluminium fondu. Ces éléments comportent au moins un élément cathodique actif, constitué en réfractaire électroconducteur tel que le diborure de titane, supporté par un support intermédiaire inerte vis-à-vis de l'aluminium liquide et de l'électrolyte, la densité moyenne de l'ensemble élément cathodique actif-support intermédiaire inerte étant inférieure à la densité de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'exploitation de la cuve d'électrolyse. Ils peuvent également, et de préférence, être munis de moyens d'ancrage et de butée qui limitent l'amplitude de leurs déplacements dans le sens vertical, et de moyens de guidage limitant l'amplitude de leurs déplacements dans des directions autres que la verticale. Et une cuve d'électrolyse pour la production électrolytique d'aluminium par le procédé Hall-Héroult.
Description
5~
La présente invention concerne des élements cathodiques flottants, en refractaire electroconducteur, tel que le diborure de titane, et une cu~e d'électrolyse~destinés à
la production d'aluminium par électrolyse, selon le procedé ~ Heroult.
Dans les cellules Hall~Héroult, la cathode est constituée universel].ement par des blocs de carbone juxta~
poses, dans lesquels sont scellées des barxes métalliques elles-memes reliées a des conducteurs assurant la connexion électrique avec la cuve suivante de la série. En fonction-nement, la cathode est recouverte en permanence d'une couche d'aluminium liquide d'une vingtaine de centimètres d'épais~
seur.
Dans les cuves modernes, qui fonctionnent sous des intensités atteignant ou dépassant 200.000 Ampères, on doit conserver une distance interpolaire d'au moins 40 mil-limètres entre les anodes et la surface de la couche d'alu-minium liquide pour éviter ~ue les vagues se produisant a l'interface entre le métal produit et le bain dlélectrolyse ne reentralnent de l'aluminium ou du sodium, métalliques ou partiellement reduits, vers l'anode où ils se réoxyderaient.
Cela provoque une chute de tension supplementa.ire importante, dépassant 1,5 volts, c~est-a-dire plus du tiers de la chute de tension totale aux bornes d'une cuveO
Parmi les differents procédes que l'on a i.magines pour augmenter la mouillabilite de la cathode par l'alumi-nium liquide et reduire le réentra'nement de ~et aluminium liquide par les mouvements conjugués du métal et du bain d'électrolyse, l'utilisation de composes refractaires electroconducteurs tient une large place et, en particulier, les borures de titane et de zirconium.
De façon genérale, les réfractaires electrocon-ducteurs appartiennent a la classe formee par les borures~
carbures et nitrures des metaux des groupes 4A, 5A et 6A
mais, jusqu'a present, les xecherches se sont essentiellement ~5~
a~ées sur les diborures de titane TiB2 e-t de zirconium ZrB2.
Ces xefractaires électroconducteurs, pris sépare-ment, ou en combinaison, peuven-t être mis en oeuvre dans les cuves d'électrolyse du -type Hall-Héroult, dans la mesure o~ ils posseden-t simultanement les trois proprié-tes suivantes:
- Résistivité électrique inférieure a 1 000 ~Qcm et, de pré-ference, à 100 ~Qcm à 950-970C.
- Bonne mouillabilite par l'aluminium liquide.
- Inertie chimique et physique vis-à~vis de l'aluminium liquide et du bain d'electrolyse.
A 1 000C, le borure de titane a une résistivite de 60 ~Qcm - et le borure de zirconium ~e 74 ~Qcm - soit respectivement 2 et 2,5 fois celle de l'a:Luminium liquide, mais plus de 5 000 fois inferieure à celle du bain d'elec-trolyse qui est de l'ordre de ~50 000 ~Qcm. Ils sont par-faitement mouillés par l'aluminium liquide et suffisamment inertes vis-a-vis de la cryolithe fondue.
Cependant, le prix tres eleve des borures de titane et de zirconium, et la sensibilité de ces produits, à l'etat massif, aux chocs thermiques, se sont opposes jusqu'a present a ce que l'on realise des blocs cathodiques massifs en ces deux matériaux, et, dans la pratique indus-trielle, on tend a u-tiliser soit des recouvrements d'epais-seur reduite obtenus par differents procedes, tels que depot en phase vapeur ou diffusion a l'état solide, soi-t des ele-ments massi~s scelles dans la cathode carbonee et emergeant de la nappe d'aluminium liquide produit, dont on trouve une description complète dans deux articles de la revue allemande Aluminium pages 642-6~8 (Octobre 1980) et 713-718 (Novembre 1980) de K. BILLEHAUG et H.A. OYE, sous le titre Inert cathodes for alumi.nium elec-trolysis in Hall~Heroult cellsO
Ces revêtements de faible épaisseur, ou de faibles dimensions, en borure de titane ou de zirconium, resolvent ~ 2 de façon relativement satisfaisante le probleme de la con~
ductivite electrique des blocs cathodiques et leur mouilla-bilité par l'aluminium liquide, mais ils sont malheuxeuse-ment sujets a une usure relativement rapide par dissolution progressive dans l'aluminium li~uide avec lequel ils sont en contact. On estime que la consommation de TiB2 peut atteindre 200 Grammes par tonne d'aluminium produit et le TiB2 coûte plusieurs centaines de francs le kilo a l'heure actuelle. En outre, le remplacement des élements cathodi-ques uses implique l'arrêt total et le demontage partiel de la cuve d'électrolyse, ce qui est inacceptable dans la pratique industrielle.
Des elements cathodiques en borure de titane pour la production d'aluminium par le procede Hall-Heroult ont ete decrits initialement dans les brevets français:
FR. 1 195 505 - 1 203 015 - 1 205 857 - 1 227 951 ~ 1 229 537 1 148 068 - 1 149 468 ~- de BRITISH ALUMINIUM COMP~1Y Ltd et 1 165 136 de KAISER A~UMINIUM et, plus recemment, dans les brevets FR. 2 337 210 d'ALCOA - 2 430 4~4 d'ALUSUISSE, US. 4 177 128 de PPG INDUSTRIES - US. 4 093 524 de KAISER
ALUMINIUM, mais, il ne semble pas qu'ils ai.ent donné lieu a des realisations à l'echelle industrielle.
De même, le brevet FR. 2 471 425 ~ALUSUISSE) decrit des éléments cathodiques en diborure de titane sous forme de matériau grenu ou en morceaux, déverse en vrac sur le fond de la cuve, et recouverts d'une épaisseur d'aluminium liquide au moins égale a 2 mm.
Dans le brevet français n 2,500~488 d'ALUMINIUM
~ N~Y, publie le 27 août 1982~.on a décrit et revendique no ~ ~nt, d'une part, un procede de production d'aluminium selon la technique Hall-Heroult consistant a électrolyser de l'alu-mine dissoute dans un bain a base de cryolithe fondue, à
une temperature de l'ordre de 930 a 960C, entre un systeme cathodique comportant un substrat carboné recouvert en permanence par une couche d'aluminium liquide et un système anodique comportant au moins une anode carbonée, caractérisé
en ce que llon dispose sur le substrat cathodique carboné
une pluralite d'elements en diborure de titane, non liés audit substrat et non lies entre eux, formant sur ledit substrat un lit d'epaisseur reguliere, en ce que llon regle l'epaisseur de la couche d'aluminiwn liquide a une valeur au plus egale a l'epaisseur du lit d'éléments en diborure de titane et en ce que l'on fixe la distance entre :Le plan du système anodique et le plan superieur du lit d'élements en borure de titane a une valeur comprise entre 30 et 10 milli-metres et, d'autre part, une cathode pour la mise en oeuvre de ce procédé, caracterisee en ce qu'elle comporte un subs-- trat carbone recouvert d'une pluralité d'éléments en dibo-rure de titane, non liés au substrat et non lies entre eux, formant sur ledit substrat un lit d'epaisseur reguliere.
Cette cathode peut comporter un support carbone intermédiaire place sur le substrat carboné de base, et supportant le lit de particules en diborure de titane.
Il est egalement connu que des elements cathodiques amovibles peuvent comporter un support intermédiaire inerte et des éléments actifs en réfractaire électroconducteur, tel que TiB2, solidaires mais separables dudit support, l'ensemble ~5 forme par le support intermédiaire inerte et les éléments actifs ayant une densité superieure a la densité de llalumi-nium liquide à la temperature de l'electrolyse.
Cependant, la mise en oeuvre des elements cathodi-ques en réfractaire electroconducteur mouillables par llalu~
minium liquide, objet du brevet français n 2,500,488 ci-haut mentionne et de ce qui est deja connu peut dans certains cas, presenter quelques inconvenients:
~ `:
- l~epaisseur de la couche de métal liquide dans la~uelle baigne le lit d'éléments mouillables est faible et peut localement devenir le siege d'intenses courants électriques horizontaux, qui ris~uent d'induire des forces électro-magnétiques tendant à mettre ce métal en mouvement et a entralner les élémen~s conducteurs mouillables, modifiant ainsi l'uniformité du lit formé par ces elem~nts;
en cas d'effet d'anode, il est impossible de mettre l'anode, par abaissement de sa position, au cop~act de la nappe dlaluminium liquide et de dépolariser ainsi le plan anodique;
- pour pouvoir prelever périodiquement le volume de mëtal produit, il est nécessaire de prévoir dans la cathode un puits ou un chenal formant réservoir qui draïne le méta].
s'ecoulant du lit cathodique. L'importance dw volume de de ce réservoir et divers problèmes d9isolement électrique peuvent compliquer la conception du fond de la cuve et auqmenter ce coût;
en cas d'embourbement du ond de la cuve par des boues d'alumine et d'electrolyte non dissous, le lit, qui est de ~aible épaisseur, va se trouver rapidement masque par ces boues, et le fonctionnement de la cellule en sera perturbe;
- il existe un risque d'endommager, O~1 même de detruire des elements du support intermediaire inerte et des elements en TiB2 en cas de chute ou de descente incontrôlee diune anode.
La presente invention a pour but de suppxi.mer ces inconvenients.
Selon la présente invention, il est prevu un element cathodique flottant destine a la production el.ectro-lytique d'aluminium par le procéde Hall Heroult dans une cuve d'electrolyse comportant un bain a base de cryolithe fondue, entre une anode carbonee, une nappe cathodique d'aluminium fonau, caracterisé en ce qu ' il comporte au moins un element cathodique actif, constitue en refractaire electroconducteur, supporté par un support intermediaire inerte vis-à-vis de l'aluminium liquide et de l'électrolyte/ la densité moyenne de l'ensemble élement cathodique actif-support intermédiaire inerte étant inferieure a la densite de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'exploitation de la cuve d'electrolyse.
Selon la présente invention, il est egalement prévu une cuve d'electrolyse pour la production electrolyti-que d'aluminium par le procede Hall-Heroult, comprenant un caisson métallique externe contenant un garnissage thermi-quement i.solant et un garn.issage refractaire et electrique-ment isolant, une nappe d'al~inium liquide contenue dans ledit garnissage réfractaire, un elément cathodique flottant tel que decrit plus haut, dans ladite nappe d'aluminium, un electrolyte dans ledit garnissage refractaire, des anodes dans ledit electrolyte, ces anodes etant munies dlarrivées de courant anodique.
Par conséquent la présente ,invention est basee sur des eléments en refractaires electroconducteurs mouil~
lables par 1'aluminium liquide et, en particulier, à base de diborure de titane, non directement lies au substrat cathodique, guides et disposant dlun degre de liberte limitée, dans le sens vertical, et que l'on maintient flottants à l'interface entre le bain d'électrolyse et l'aluminium produit, quelles que soient les fluctuations de cette interface pendant le processus d'electrolyse, en les faisant supporter par un support intermediaire inerte de densite inferieure à celle de l'aluminium liquide.
En outre, ces élements sont amovibles de facon a être mis en place et remplaces sans interrompre l'elec-trolyse, avec passage intermediaire éventuel dans une enceinte de prechauffage ou de refroidissement contrôlel a atmosphère contrôlee ou non.
Dans tout ce qui suit, nous conviendrons de designer par:
f, 5~
- element cathodique flottant: l'ensemble formé par un support intermediaire inerte et au moins un elément cathodique acti, amovible, caracterisé en ce que sa densite moyenne est inferieure a la densite de l'alu-minium liquide dans les conditions norm~les diutilisation des cuves Hall-Heroult:
/
/
- 6a -95~
- moyen d'ancrage~ une structure de de~sité superieure a celle de l'aluminium liquide ~ans les condi-tions normales d'utilisation des cuves Hall-Héroult, con~ectionnee soit en materiau refractaire ou céramique, soit en me-tal re-couvert d'une couche protectrice, et caracterise en ce qu'elle comporte au moins une bu-tee ou un dispositif limi-tant, vers le haut, la course verticale d'un ou plusleurs elements cathodiques flottants;
- moyen de guidage: un systeme mécanique dont l'ob~ectif est de limi.ter le debattement lateral d'un ou plusieurs eléments cathodiques flottants, tout en lui laissant une liberte de mouvement dans le sens vertical, ce~te liberte etant eventuellement limitee par~le moyen d'ancrage. Le moyen de guidage et le moyen d'ancrage peuvent etre par-tiellement ou totalement confondus;
- interface: l'interface entre la nappe d'aluminium liquide produit par l'electrolyse, et llélectrolyte (cryolithe fondue).
Le diborure de titane ayant une densite tres superieure à celle de l'aluminium liquide à la temperature (env. 960C) de l'electrol~se (environ 4,5 contre 2,3 a
La présente invention concerne des élements cathodiques flottants, en refractaire electroconducteur, tel que le diborure de titane, et une cu~e d'électrolyse~destinés à
la production d'aluminium par électrolyse, selon le procedé ~ Heroult.
Dans les cellules Hall~Héroult, la cathode est constituée universel].ement par des blocs de carbone juxta~
poses, dans lesquels sont scellées des barxes métalliques elles-memes reliées a des conducteurs assurant la connexion électrique avec la cuve suivante de la série. En fonction-nement, la cathode est recouverte en permanence d'une couche d'aluminium liquide d'une vingtaine de centimètres d'épais~
seur.
Dans les cuves modernes, qui fonctionnent sous des intensités atteignant ou dépassant 200.000 Ampères, on doit conserver une distance interpolaire d'au moins 40 mil-limètres entre les anodes et la surface de la couche d'alu-minium liquide pour éviter ~ue les vagues se produisant a l'interface entre le métal produit et le bain dlélectrolyse ne reentralnent de l'aluminium ou du sodium, métalliques ou partiellement reduits, vers l'anode où ils se réoxyderaient.
Cela provoque une chute de tension supplementa.ire importante, dépassant 1,5 volts, c~est-a-dire plus du tiers de la chute de tension totale aux bornes d'une cuveO
Parmi les differents procédes que l'on a i.magines pour augmenter la mouillabilite de la cathode par l'alumi-nium liquide et reduire le réentra'nement de ~et aluminium liquide par les mouvements conjugués du métal et du bain d'électrolyse, l'utilisation de composes refractaires electroconducteurs tient une large place et, en particulier, les borures de titane et de zirconium.
De façon genérale, les réfractaires electrocon-ducteurs appartiennent a la classe formee par les borures~
carbures et nitrures des metaux des groupes 4A, 5A et 6A
mais, jusqu'a present, les xecherches se sont essentiellement ~5~
a~ées sur les diborures de titane TiB2 e-t de zirconium ZrB2.
Ces xefractaires électroconducteurs, pris sépare-ment, ou en combinaison, peuven-t être mis en oeuvre dans les cuves d'électrolyse du -type Hall-Héroult, dans la mesure o~ ils posseden-t simultanement les trois proprié-tes suivantes:
- Résistivité électrique inférieure a 1 000 ~Qcm et, de pré-ference, à 100 ~Qcm à 950-970C.
- Bonne mouillabilite par l'aluminium liquide.
- Inertie chimique et physique vis-à~vis de l'aluminium liquide et du bain d'electrolyse.
A 1 000C, le borure de titane a une résistivite de 60 ~Qcm - et le borure de zirconium ~e 74 ~Qcm - soit respectivement 2 et 2,5 fois celle de l'a:Luminium liquide, mais plus de 5 000 fois inferieure à celle du bain d'elec-trolyse qui est de l'ordre de ~50 000 ~Qcm. Ils sont par-faitement mouillés par l'aluminium liquide et suffisamment inertes vis-a-vis de la cryolithe fondue.
Cependant, le prix tres eleve des borures de titane et de zirconium, et la sensibilité de ces produits, à l'etat massif, aux chocs thermiques, se sont opposes jusqu'a present a ce que l'on realise des blocs cathodiques massifs en ces deux matériaux, et, dans la pratique indus-trielle, on tend a u-tiliser soit des recouvrements d'epais-seur reduite obtenus par differents procedes, tels que depot en phase vapeur ou diffusion a l'état solide, soi-t des ele-ments massi~s scelles dans la cathode carbonee et emergeant de la nappe d'aluminium liquide produit, dont on trouve une description complète dans deux articles de la revue allemande Aluminium pages 642-6~8 (Octobre 1980) et 713-718 (Novembre 1980) de K. BILLEHAUG et H.A. OYE, sous le titre Inert cathodes for alumi.nium elec-trolysis in Hall~Heroult cellsO
Ces revêtements de faible épaisseur, ou de faibles dimensions, en borure de titane ou de zirconium, resolvent ~ 2 de façon relativement satisfaisante le probleme de la con~
ductivite electrique des blocs cathodiques et leur mouilla-bilité par l'aluminium liquide, mais ils sont malheuxeuse-ment sujets a une usure relativement rapide par dissolution progressive dans l'aluminium li~uide avec lequel ils sont en contact. On estime que la consommation de TiB2 peut atteindre 200 Grammes par tonne d'aluminium produit et le TiB2 coûte plusieurs centaines de francs le kilo a l'heure actuelle. En outre, le remplacement des élements cathodi-ques uses implique l'arrêt total et le demontage partiel de la cuve d'électrolyse, ce qui est inacceptable dans la pratique industrielle.
Des elements cathodiques en borure de titane pour la production d'aluminium par le procede Hall-Heroult ont ete decrits initialement dans les brevets français:
FR. 1 195 505 - 1 203 015 - 1 205 857 - 1 227 951 ~ 1 229 537 1 148 068 - 1 149 468 ~- de BRITISH ALUMINIUM COMP~1Y Ltd et 1 165 136 de KAISER A~UMINIUM et, plus recemment, dans les brevets FR. 2 337 210 d'ALCOA - 2 430 4~4 d'ALUSUISSE, US. 4 177 128 de PPG INDUSTRIES - US. 4 093 524 de KAISER
ALUMINIUM, mais, il ne semble pas qu'ils ai.ent donné lieu a des realisations à l'echelle industrielle.
De même, le brevet FR. 2 471 425 ~ALUSUISSE) decrit des éléments cathodiques en diborure de titane sous forme de matériau grenu ou en morceaux, déverse en vrac sur le fond de la cuve, et recouverts d'une épaisseur d'aluminium liquide au moins égale a 2 mm.
Dans le brevet français n 2,500~488 d'ALUMINIUM
~ N~Y, publie le 27 août 1982~.on a décrit et revendique no ~ ~nt, d'une part, un procede de production d'aluminium selon la technique Hall-Heroult consistant a électrolyser de l'alu-mine dissoute dans un bain a base de cryolithe fondue, à
une temperature de l'ordre de 930 a 960C, entre un systeme cathodique comportant un substrat carboné recouvert en permanence par une couche d'aluminium liquide et un système anodique comportant au moins une anode carbonée, caractérisé
en ce que llon dispose sur le substrat cathodique carboné
une pluralite d'elements en diborure de titane, non liés audit substrat et non lies entre eux, formant sur ledit substrat un lit d'epaisseur reguliere, en ce que llon regle l'epaisseur de la couche d'aluminiwn liquide a une valeur au plus egale a l'epaisseur du lit d'éléments en diborure de titane et en ce que l'on fixe la distance entre :Le plan du système anodique et le plan superieur du lit d'élements en borure de titane a une valeur comprise entre 30 et 10 milli-metres et, d'autre part, une cathode pour la mise en oeuvre de ce procédé, caracterisee en ce qu'elle comporte un subs-- trat carbone recouvert d'une pluralité d'éléments en dibo-rure de titane, non liés au substrat et non lies entre eux, formant sur ledit substrat un lit d'epaisseur reguliere.
Cette cathode peut comporter un support carbone intermédiaire place sur le substrat carboné de base, et supportant le lit de particules en diborure de titane.
Il est egalement connu que des elements cathodiques amovibles peuvent comporter un support intermédiaire inerte et des éléments actifs en réfractaire électroconducteur, tel que TiB2, solidaires mais separables dudit support, l'ensemble ~5 forme par le support intermédiaire inerte et les éléments actifs ayant une densité superieure a la densité de llalumi-nium liquide à la temperature de l'electrolyse.
Cependant, la mise en oeuvre des elements cathodi-ques en réfractaire electroconducteur mouillables par llalu~
minium liquide, objet du brevet français n 2,500,488 ci-haut mentionne et de ce qui est deja connu peut dans certains cas, presenter quelques inconvenients:
~ `:
- l~epaisseur de la couche de métal liquide dans la~uelle baigne le lit d'éléments mouillables est faible et peut localement devenir le siege d'intenses courants électriques horizontaux, qui ris~uent d'induire des forces électro-magnétiques tendant à mettre ce métal en mouvement et a entralner les élémen~s conducteurs mouillables, modifiant ainsi l'uniformité du lit formé par ces elem~nts;
en cas d'effet d'anode, il est impossible de mettre l'anode, par abaissement de sa position, au cop~act de la nappe dlaluminium liquide et de dépolariser ainsi le plan anodique;
- pour pouvoir prelever périodiquement le volume de mëtal produit, il est nécessaire de prévoir dans la cathode un puits ou un chenal formant réservoir qui draïne le méta].
s'ecoulant du lit cathodique. L'importance dw volume de de ce réservoir et divers problèmes d9isolement électrique peuvent compliquer la conception du fond de la cuve et auqmenter ce coût;
en cas d'embourbement du ond de la cuve par des boues d'alumine et d'electrolyte non dissous, le lit, qui est de ~aible épaisseur, va se trouver rapidement masque par ces boues, et le fonctionnement de la cellule en sera perturbe;
- il existe un risque d'endommager, O~1 même de detruire des elements du support intermediaire inerte et des elements en TiB2 en cas de chute ou de descente incontrôlee diune anode.
La presente invention a pour but de suppxi.mer ces inconvenients.
Selon la présente invention, il est prevu un element cathodique flottant destine a la production el.ectro-lytique d'aluminium par le procéde Hall Heroult dans une cuve d'electrolyse comportant un bain a base de cryolithe fondue, entre une anode carbonee, une nappe cathodique d'aluminium fonau, caracterisé en ce qu ' il comporte au moins un element cathodique actif, constitue en refractaire electroconducteur, supporté par un support intermediaire inerte vis-à-vis de l'aluminium liquide et de l'électrolyte/ la densité moyenne de l'ensemble élement cathodique actif-support intermédiaire inerte étant inferieure a la densite de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'exploitation de la cuve d'electrolyse.
Selon la présente invention, il est egalement prévu une cuve d'electrolyse pour la production electrolyti-que d'aluminium par le procede Hall-Heroult, comprenant un caisson métallique externe contenant un garnissage thermi-quement i.solant et un garn.issage refractaire et electrique-ment isolant, une nappe d'al~inium liquide contenue dans ledit garnissage réfractaire, un elément cathodique flottant tel que decrit plus haut, dans ladite nappe d'aluminium, un electrolyte dans ledit garnissage refractaire, des anodes dans ledit electrolyte, ces anodes etant munies dlarrivées de courant anodique.
Par conséquent la présente ,invention est basee sur des eléments en refractaires electroconducteurs mouil~
lables par 1'aluminium liquide et, en particulier, à base de diborure de titane, non directement lies au substrat cathodique, guides et disposant dlun degre de liberte limitée, dans le sens vertical, et que l'on maintient flottants à l'interface entre le bain d'électrolyse et l'aluminium produit, quelles que soient les fluctuations de cette interface pendant le processus d'electrolyse, en les faisant supporter par un support intermediaire inerte de densite inferieure à celle de l'aluminium liquide.
En outre, ces élements sont amovibles de facon a être mis en place et remplaces sans interrompre l'elec-trolyse, avec passage intermediaire éventuel dans une enceinte de prechauffage ou de refroidissement contrôlel a atmosphère contrôlee ou non.
Dans tout ce qui suit, nous conviendrons de designer par:
f, 5~
- element cathodique flottant: l'ensemble formé par un support intermediaire inerte et au moins un elément cathodique acti, amovible, caracterisé en ce que sa densite moyenne est inferieure a la densite de l'alu-minium liquide dans les conditions norm~les diutilisation des cuves Hall-Heroult:
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- 6a -95~
- moyen d'ancrage~ une structure de de~sité superieure a celle de l'aluminium liquide ~ans les condi-tions normales d'utilisation des cuves Hall-Héroult, con~ectionnee soit en materiau refractaire ou céramique, soit en me-tal re-couvert d'une couche protectrice, et caracterise en ce qu'elle comporte au moins une bu-tee ou un dispositif limi-tant, vers le haut, la course verticale d'un ou plusleurs elements cathodiques flottants;
- moyen de guidage: un systeme mécanique dont l'ob~ectif est de limi.ter le debattement lateral d'un ou plusieurs eléments cathodiques flottants, tout en lui laissant une liberte de mouvement dans le sens vertical, ce~te liberte etant eventuellement limitee par~le moyen d'ancrage. Le moyen de guidage et le moyen d'ancrage peuvent etre par-tiellement ou totalement confondus;
- interface: l'interface entre la nappe d'aluminium liquide produit par l'electrolyse, et llélectrolyte (cryolithe fondue).
Le diborure de titane ayant une densite tres superieure à celle de l'aluminium liquide à la temperature (env. 960C) de l'electrol~se (environ 4,5 contre 2,3 a
2,1-2,2 pour l'electrolyte), sont utilisation pour constituer des elements cathodiques flottants, peut s'effectuer selon l'une des trois variant~s suivantes:
l. On dispose les elements sur un substrat inerte de densite sensiblement inferieure à celle de l'aluminium li~uide~
et on règle la proportion: masse du substrat inerte/
masse de TiB2 de façon que l'ensemble ait une densite inférieure à celle de 1'A1 liquide (2,3) et superieure a celle de l'electrolyte (l'expressiQn substrat inerte signifie que ce substrat n'a pas pour fonction principale de servir, en lui-même, de cathode pour le dépôt elec-trochimique d'aluminium metal).
2. On procede, comme dans la premiere variante, mais en plus, on retient les élements a l'interface par un ancrage sur le substrat cathodique qui leur laisse un degre de -- 7 ~
liberte dans le sens vertical.
l. On dispose les elements sur un substrat inerte de densite sensiblement inferieure à celle de l'aluminium li~uide~
et on règle la proportion: masse du substrat inerte/
masse de TiB2 de façon que l'ensemble ait une densite inférieure à celle de 1'A1 liquide (2,3) et superieure a celle de l'electrolyte (l'expressiQn substrat inerte signifie que ce substrat n'a pas pour fonction principale de servir, en lui-même, de cathode pour le dépôt elec-trochimique d'aluminium metal).
2. On procede, comme dans la premiere variante, mais en plus, on retient les élements a l'interface par un ancrage sur le substrat cathodique qui leur laisse un degre de -- 7 ~
liberte dans le sens vertical.
3. On adjoint aux élements en TiB2 un flotteur en graphite (densite 1,6 a 2 a 960C) de façon telle qwe l'ensemble élement ~ flotteur ait une densite inferieure a celle de l'electrolyte (comprise en-tre 2,1 et 2,2 dans l'in-ter-valle 930-960C)~ Les ensembles flottent au-dessus de l'interface bain-metal. La conduction electrique vers la cathode est alors assuree par des queues conductrices plongeant dans la nappe de metal.
Des modes preferentiels de mise en oeuvre vont etre maintenank décrits atitre d'exemple sans manière limi-tative, en se re:Eerant aux dessins dans lesquels:
\ La figure 1 represente un element ca-thodique flottant muni d'une plurali-te d'elements actifs amovibles en TiB2.
Les figures 2 et 3 representen-t deux formes pos-sibles d'élements actifs en TiB2.
Les figures 4 et 5 representent deux elements ca-thodiques flo-ttants, muni d'elements actifs en TiB2 de Eorme tubulaire fendue, et de moyens d'ancrage sur le sub-strat.
La figure 6 represente un elemen-t cathodique flo-t-tant ancre dans un bloc de beton refrac-taire dense.
La figure 7 represente un moyen de guidage late-ral d'un element cathodique flottant.
La figure 8 represente un autre type d'element cathodique flottant, avec butees hautes et basses integrees dans le support refractaire.
La figure 9 represente le detail de ces butees.
Les figures 10 à 13 representent diverses variantes de realisation d'elements cathodiques flottants individ~lels, chaque element actif de TiB2 etant muni de son propre flotteur.
Les figures 14 et 15 representen-t une application des elements cathodiques flo-ttants a des cuves d'électrolyse ~ ~5~5~
à sortie cathodique par le haut, dans lesquelles le courant est collecté dans la nappe d'aluminium.
Sur la figuxe 1, l'elément cathodique actif en TiB2 1 est formé par une tete plate ou légerement bombee et une gueue 2 qui est positionnée dans les orifices 3 d'un support intermediaire inerte A en graphite. La densité
moyenne de l'ensemble cathodique ainsi constitue est infé-rieure a celle de l'aluminium li~uide. Les têtes des plots 1 sont, en fonctionnement normal, au voisinage de 11 inter~
face nappe d'aluminium-électrolyte.
L'élément cathodique 1 peut reposer directement sur l'orifice 3 ou être muni de bossages 5 ou d'ailettes 6 qui ménagent un intervalle favorisant l'écoulement ae l'alu-minium liquide au fur et a mesure d~ sa production (fig. 2 et 3~.
Les figures 4 et 5 montrent un autre mode de realisation dans lequel l ' élement cathodique flo-ttant est ancre~ au substrat cathodique 8 par des plots 9. La tete 10 du plot d'ancrage coopère avec un redent 11 du support intermediaire 7 pour assurer une butee qui limite sa course vers le haut. Les éléments cathodiques actifs 1~ sont cons-titues par des tronçons de tubes fe~dus 13 et enfiles sur un rail 14, laissant entre eux un espace libre sufisant pour 1'ecoulement de l'aluminium produit. Ces tubes peuvent avoir une section circulaire, carree ou autre.
Dans le cas de la figure 5~ on a fixe le rappor-t masse de graphite/mase de TiB2 de façon telle que la densite moyenne de l'ensemble soit inferieure à la densite de l'electrolyte si bien que 19elément cathodique flottant est, normalement, en butee haute.
Dans l'un et l'autre cas, la course de l'élement flottant, determinée par la position de la butee et la hauteur du plot d'ancrage, doit être au moins égale aux variations de hauteur de la nappe d'aluminium liquide en cours d'électrolyse et de soutirage du métal.
S~
De façon générale, les 1éments actifs en TiB2 12 depassent l'interface 15 d'au moins 10 millimètres.
En outre, on prend soin d'avoir un plateau con-ducteur 7 assez épais pour etre toujours assuré que sa base baigne dans le métal quelles que soient les variations de hauteur de celui-ci. C'est, en effet, ce pla~eau et non les plots d'ancrage 9 qui transmettront le courant au sub-strat cathodique carboné 8 par liintermédiaire de la nappe 16 de métal produit. Il importe de souligner que, dans tous les cas, ce sont les elements en TiB2 qui jouent le role de cathode et c'est sur eux que s 9 ef~ectue le depôt d'aluminium produit par l'ëlectrolyse.
La figure 6 montre une autre variante de realisa-tion dans laquelle 17element cathodique flottant est consti-tue par un plateau 17 en graphite revêtu de diborure detitane en revêtement mince 18 effectué par depôt chimique en phase vapeur ou projection au chalumeau a plasma. Le plateau flotta~t est retenu au fond par un bloc dense 19 en béton réfractaire, resistant ~ 1'action de lialuminium liquide 16 reposant sur le substrat cathodique 9. De pre-~érence, le bloc dense 19 est muni de canaux 20 pour assurer la circulation de 1'aluminium et le passage du courant.
Dans le cas de la figuxe 1, ou de structures analogues à celle des figures 6 et 8, la structure flottante peut comporter des moyens de guidage tels que des rouleaux 21 qui coopèrent, par exemple, avec les pieds supports 22.
Ces rouleaux peuvent être constitués, par exemple, en TiB~
ou nitrure de silicium ou oxynitrure de silicium et d~alu-minium (sialon). Dans le cas de la figur~ 8, le support réfractaire 24 est intégralement noyé dans le metal. Le support perfore 25, qui maintient les plots 1 de TiB2, a une densite inférieure a la densité du bain d'electrolyse:
c'est par exemple du graphite, éventuellement protege par un dépot mince d'un réfractaire tel que le diborure de i~
titane ou le sialon (sialon est une denomination consacrée par l'usage ~ui est form~e par l'association des symboles chimiques des 4 éléments: Si, Al, O et N, qui constituent cet oxynitrure de silicium et d'aluminium)~
- lOa -5~
L'avantage de cette disposition est que l'ensemble du support perfore ~ plots TiB2 peut s'effacer intégralement dans le support refractaire dense en cas de poussee vers le bas (cas d'une anode qui serai-t trop abaissée). I1 faut donc avoir el ~ e2-Si la densi-te mo~enne de l'ensemble support perforé -~ plots de TiB2 est inferieure à celle du bain, le support perfore reste en permanence en butee haute. Si cette densite moyenne es-t comprise entre celle du bain et celle du metal, le support perfore suit les variations de niveau du metal au cours de l'electrolyse.
La figure 9 donne le detail de construction du support reErac-taire dense 24 de la figure 8 avec des butees hautes 25 et basses 26. L'une de ses faces peut comporter une paroi amovible 27. La mise en place ou le retrait de telles parois permet de diriger et de contrôler la circula-tion du metal et du bain sous l'effet des forces electro-magnetiques.
Les figures 10 a 13 representent la troisième variante de mise en oeuvre selon laquelle chaque elemen-t en TiB2 est associe à un flo-tteur en graphite. L'element actif cathodique en TiB2 30 est enchasse dans une bague en graphite 31. Un suppor-t intermediaire 32 en ma-teriau inerte Eait office de butee haute pour la bague en graphi-te 31.
Ce support intermediaire vient en appui sur le subs-tra-t cathodique par des pieds Oll supports non representes, qui n'appellent aucun commentaire particulier.
Sur la figure 11, l'element en TiB2 33 es-t une pla~ue fixee par la vis 34 sur le flotteur 35 en graphite.
La fixation peut etre effectuee par tout autre moyen equi-valent.
Sur les figures 12 et 13, le Elot-teur en graphite 36 comporte un puits 37 ferlné en sa partie basse et rempli dialuminium liquide. Les élements 38 en TiB2 s'appuien-t sur le flotteur en graphite par des ailet-tes ou nervures 39.
~3S~5~
La forme en <~cuve-tte de l'élement 40 sur la figure 13 favorise le rassemblement de l'aluminium liquide produit et son ecoulement par les canaux 41.
Bien entendu, dans -toutes les realisation de-crites, le rapport: masse de l'elemen-t en TiB2/masse de l'élément de graphite doit être déterminé, compte-ténu de la densite de l'un et de l'autre, pour obtenir une densite moyenne resultante, soit comprise en~re 2,3 et 2,2, soit in~érieure a 2~2, et cle, préérence, à 2,1, dans l'inter-valle de temperature habituel de 930 a g60C. ~es valeurs de densités seraient à adapter si l'on utilisait un electro-l~te a~vant une densité quelque peu différente par suite dlune composition modifiee.
Par ailleurs, en vue d'alle~er les dessins, le sys-tème anodique n'a pas e-te represente, mais il est bien evident qu'il fait face à la partie superieure des elements actifs en TiB2, et qu'il est confor~e à l'etat actuel de la technique.
AVANTAGES PROCURES PAR L'INV.ENTION
Outre les avantages bien connus procures par les elements cathodiques en l'iB2, très bons conducteurs elec-triques et mouillables par l'aluminium liquide, la presente invention offre de nombreux avantages qui permettent de transposex au stade industriel une technique qui e-tait ]usqu'a present, restee experimentale.
Les plots en Ti~2, individuellement, et surtout, groupes en e~sembles, peuven-t être facilemen-~ remplaces e-t leur caractère flottant les rend moins vulnerables aux chocs mecaniques d'exploitation: dans le cas de la figure 8, par exemple, en cas de choc a la mise en place ou à
l'enlevement d'une anode, les elements flo-ttants 25 peuvent s'effacer dans le bloc de beton dense 24 assurant l'ancrage.
La hauteur du metal SOllS- j acen-t peut être maintenue à une valeur suffisante pour reduire les courants horizontaux et les perturbations elec-tromagnetiques correspondantes a une valeur acceptable, et le prélevement periodique du metal 5~
peut etre effectue comme dans une cellule dlelectrolyse classique~
Les boues d'alumine, qui risquent de se former, decantent au fond du creuse-t, sous le metal, epargnant ainsl la surface des elements flottan-ts sur le metal. Ce dispo-siti~ permet une transformation aisee des cuves classiques, en cuves a elements en Ti~2.
Mais, en plus, l'invention permet d'envisager une conception nouvelle de cuves d'electrolyse, dans les-quelles l'ensemble du garnissaye, ~ compris le fond, est realisé en materiau refractaire r non-conducteur, et le cou-rant cathodique est collecte dans la nappe d'aluminium li-quide par un conduc-teur situe a la partie superieure de la cuve d'electrolyse.
Sur les figures 14 et 15, on a représente le schema d'une telle cuve, avec le caisson metallique externe 42, le garnissage thermiquement isolant 43, le garnissage refrac-taire et electriquement isolant 44, la nappe d'alu-minium liquide 45; l'elément cathodique 46, objet de l'inven-tion, est du type decrit sur la figure 7, l'electrolyte 47 les anodes 48 et les arrivees de courant anodique 49 (croi-sillon).
~e couran-t cathodique est collecte par un elemen-t 50 comportant un collecteur vertical 51 bon conducteur elec-trique, eventuellement protége de la corrosion par un gai-nage isolant 52 et dont l'extremite est coiffee par un capuchon 53 en TiB2.
On pourrai-t craindre que, dans cet-te disposition, le courant horizontal parcouran-t la nappe de metal n'y induise des mouvements inacceptables du metal Mais, en fait, ces mouvements sont fortement attenues par les parois des dis-positi~s d'ancrage e-t de guidage des elements cathodiques.
En outre, on constate que les elements cathodiques flot-tants agissent comme un veri-table diaphragme en-tre la nappe S~3 d'aluminium liquide e-t les anodes, ce qui exclut toute in-fluence néfaste de ces mouvements de métal sur le rendement Faraday, en s'opposant au transport par convec-tion, vers l'anode, d'especes métalliques ou partiellement rédui-tes, en particulier d'aluminium et de sodium.
On peut ai.nsi, dans une disposition telle que celle de la figure 15, gagner une grande partie de la chu-te de tension dans les blocs cathodiques classiques (environ 400 millivolts), et une partie de la chu-te de -tension (en-viron 100 mV) dans les conducteurs de liaison de cuve à
cuve 54 qui sont sensiblement raccourcis, avec une diminu-tion corrélative de l'investissement correspondant à ces conducteurs.
-- 1'1 --
Des modes preferentiels de mise en oeuvre vont etre maintenank décrits atitre d'exemple sans manière limi-tative, en se re:Eerant aux dessins dans lesquels:
\ La figure 1 represente un element ca-thodique flottant muni d'une plurali-te d'elements actifs amovibles en TiB2.
Les figures 2 et 3 representen-t deux formes pos-sibles d'élements actifs en TiB2.
Les figures 4 et 5 representent deux elements ca-thodiques flo-ttants, muni d'elements actifs en TiB2 de Eorme tubulaire fendue, et de moyens d'ancrage sur le sub-strat.
La figure 6 represente un elemen-t cathodique flo-t-tant ancre dans un bloc de beton refrac-taire dense.
La figure 7 represente un moyen de guidage late-ral d'un element cathodique flottant.
La figure 8 represente un autre type d'element cathodique flottant, avec butees hautes et basses integrees dans le support refractaire.
La figure 9 represente le detail de ces butees.
Les figures 10 à 13 representent diverses variantes de realisation d'elements cathodiques flottants individ~lels, chaque element actif de TiB2 etant muni de son propre flotteur.
Les figures 14 et 15 representen-t une application des elements cathodiques flo-ttants a des cuves d'électrolyse ~ ~5~5~
à sortie cathodique par le haut, dans lesquelles le courant est collecté dans la nappe d'aluminium.
Sur la figuxe 1, l'elément cathodique actif en TiB2 1 est formé par une tete plate ou légerement bombee et une gueue 2 qui est positionnée dans les orifices 3 d'un support intermediaire inerte A en graphite. La densité
moyenne de l'ensemble cathodique ainsi constitue est infé-rieure a celle de l'aluminium li~uide. Les têtes des plots 1 sont, en fonctionnement normal, au voisinage de 11 inter~
face nappe d'aluminium-électrolyte.
L'élément cathodique 1 peut reposer directement sur l'orifice 3 ou être muni de bossages 5 ou d'ailettes 6 qui ménagent un intervalle favorisant l'écoulement ae l'alu-minium liquide au fur et a mesure d~ sa production (fig. 2 et 3~.
Les figures 4 et 5 montrent un autre mode de realisation dans lequel l ' élement cathodique flo-ttant est ancre~ au substrat cathodique 8 par des plots 9. La tete 10 du plot d'ancrage coopère avec un redent 11 du support intermediaire 7 pour assurer une butee qui limite sa course vers le haut. Les éléments cathodiques actifs 1~ sont cons-titues par des tronçons de tubes fe~dus 13 et enfiles sur un rail 14, laissant entre eux un espace libre sufisant pour 1'ecoulement de l'aluminium produit. Ces tubes peuvent avoir une section circulaire, carree ou autre.
Dans le cas de la figure 5~ on a fixe le rappor-t masse de graphite/mase de TiB2 de façon telle que la densite moyenne de l'ensemble soit inferieure à la densite de l'electrolyte si bien que 19elément cathodique flottant est, normalement, en butee haute.
Dans l'un et l'autre cas, la course de l'élement flottant, determinée par la position de la butee et la hauteur du plot d'ancrage, doit être au moins égale aux variations de hauteur de la nappe d'aluminium liquide en cours d'électrolyse et de soutirage du métal.
S~
De façon générale, les 1éments actifs en TiB2 12 depassent l'interface 15 d'au moins 10 millimètres.
En outre, on prend soin d'avoir un plateau con-ducteur 7 assez épais pour etre toujours assuré que sa base baigne dans le métal quelles que soient les variations de hauteur de celui-ci. C'est, en effet, ce pla~eau et non les plots d'ancrage 9 qui transmettront le courant au sub-strat cathodique carboné 8 par liintermédiaire de la nappe 16 de métal produit. Il importe de souligner que, dans tous les cas, ce sont les elements en TiB2 qui jouent le role de cathode et c'est sur eux que s 9 ef~ectue le depôt d'aluminium produit par l'ëlectrolyse.
La figure 6 montre une autre variante de realisa-tion dans laquelle 17element cathodique flottant est consti-tue par un plateau 17 en graphite revêtu de diborure detitane en revêtement mince 18 effectué par depôt chimique en phase vapeur ou projection au chalumeau a plasma. Le plateau flotta~t est retenu au fond par un bloc dense 19 en béton réfractaire, resistant ~ 1'action de lialuminium liquide 16 reposant sur le substrat cathodique 9. De pre-~érence, le bloc dense 19 est muni de canaux 20 pour assurer la circulation de 1'aluminium et le passage du courant.
Dans le cas de la figuxe 1, ou de structures analogues à celle des figures 6 et 8, la structure flottante peut comporter des moyens de guidage tels que des rouleaux 21 qui coopèrent, par exemple, avec les pieds supports 22.
Ces rouleaux peuvent être constitués, par exemple, en TiB~
ou nitrure de silicium ou oxynitrure de silicium et d~alu-minium (sialon). Dans le cas de la figur~ 8, le support réfractaire 24 est intégralement noyé dans le metal. Le support perfore 25, qui maintient les plots 1 de TiB2, a une densite inférieure a la densité du bain d'electrolyse:
c'est par exemple du graphite, éventuellement protege par un dépot mince d'un réfractaire tel que le diborure de i~
titane ou le sialon (sialon est une denomination consacrée par l'usage ~ui est form~e par l'association des symboles chimiques des 4 éléments: Si, Al, O et N, qui constituent cet oxynitrure de silicium et d'aluminium)~
- lOa -5~
L'avantage de cette disposition est que l'ensemble du support perfore ~ plots TiB2 peut s'effacer intégralement dans le support refractaire dense en cas de poussee vers le bas (cas d'une anode qui serai-t trop abaissée). I1 faut donc avoir el ~ e2-Si la densi-te mo~enne de l'ensemble support perforé -~ plots de TiB2 est inferieure à celle du bain, le support perfore reste en permanence en butee haute. Si cette densite moyenne es-t comprise entre celle du bain et celle du metal, le support perfore suit les variations de niveau du metal au cours de l'electrolyse.
La figure 9 donne le detail de construction du support reErac-taire dense 24 de la figure 8 avec des butees hautes 25 et basses 26. L'une de ses faces peut comporter une paroi amovible 27. La mise en place ou le retrait de telles parois permet de diriger et de contrôler la circula-tion du metal et du bain sous l'effet des forces electro-magnetiques.
Les figures 10 a 13 representent la troisième variante de mise en oeuvre selon laquelle chaque elemen-t en TiB2 est associe à un flo-tteur en graphite. L'element actif cathodique en TiB2 30 est enchasse dans une bague en graphite 31. Un suppor-t intermediaire 32 en ma-teriau inerte Eait office de butee haute pour la bague en graphi-te 31.
Ce support intermediaire vient en appui sur le subs-tra-t cathodique par des pieds Oll supports non representes, qui n'appellent aucun commentaire particulier.
Sur la figure 11, l'element en TiB2 33 es-t une pla~ue fixee par la vis 34 sur le flotteur 35 en graphite.
La fixation peut etre effectuee par tout autre moyen equi-valent.
Sur les figures 12 et 13, le Elot-teur en graphite 36 comporte un puits 37 ferlné en sa partie basse et rempli dialuminium liquide. Les élements 38 en TiB2 s'appuien-t sur le flotteur en graphite par des ailet-tes ou nervures 39.
~3S~5~
La forme en <~cuve-tte de l'élement 40 sur la figure 13 favorise le rassemblement de l'aluminium liquide produit et son ecoulement par les canaux 41.
Bien entendu, dans -toutes les realisation de-crites, le rapport: masse de l'elemen-t en TiB2/masse de l'élément de graphite doit être déterminé, compte-ténu de la densite de l'un et de l'autre, pour obtenir une densite moyenne resultante, soit comprise en~re 2,3 et 2,2, soit in~érieure a 2~2, et cle, préérence, à 2,1, dans l'inter-valle de temperature habituel de 930 a g60C. ~es valeurs de densités seraient à adapter si l'on utilisait un electro-l~te a~vant une densité quelque peu différente par suite dlune composition modifiee.
Par ailleurs, en vue d'alle~er les dessins, le sys-tème anodique n'a pas e-te represente, mais il est bien evident qu'il fait face à la partie superieure des elements actifs en TiB2, et qu'il est confor~e à l'etat actuel de la technique.
AVANTAGES PROCURES PAR L'INV.ENTION
Outre les avantages bien connus procures par les elements cathodiques en l'iB2, très bons conducteurs elec-triques et mouillables par l'aluminium liquide, la presente invention offre de nombreux avantages qui permettent de transposex au stade industriel une technique qui e-tait ]usqu'a present, restee experimentale.
Les plots en Ti~2, individuellement, et surtout, groupes en e~sembles, peuven-t être facilemen-~ remplaces e-t leur caractère flottant les rend moins vulnerables aux chocs mecaniques d'exploitation: dans le cas de la figure 8, par exemple, en cas de choc a la mise en place ou à
l'enlevement d'une anode, les elements flo-ttants 25 peuvent s'effacer dans le bloc de beton dense 24 assurant l'ancrage.
La hauteur du metal SOllS- j acen-t peut être maintenue à une valeur suffisante pour reduire les courants horizontaux et les perturbations elec-tromagnetiques correspondantes a une valeur acceptable, et le prélevement periodique du metal 5~
peut etre effectue comme dans une cellule dlelectrolyse classique~
Les boues d'alumine, qui risquent de se former, decantent au fond du creuse-t, sous le metal, epargnant ainsl la surface des elements flottan-ts sur le metal. Ce dispo-siti~ permet une transformation aisee des cuves classiques, en cuves a elements en Ti~2.
Mais, en plus, l'invention permet d'envisager une conception nouvelle de cuves d'electrolyse, dans les-quelles l'ensemble du garnissaye, ~ compris le fond, est realisé en materiau refractaire r non-conducteur, et le cou-rant cathodique est collecte dans la nappe d'aluminium li-quide par un conduc-teur situe a la partie superieure de la cuve d'electrolyse.
Sur les figures 14 et 15, on a représente le schema d'une telle cuve, avec le caisson metallique externe 42, le garnissage thermiquement isolant 43, le garnissage refrac-taire et electriquement isolant 44, la nappe d'alu-minium liquide 45; l'elément cathodique 46, objet de l'inven-tion, est du type decrit sur la figure 7, l'electrolyte 47 les anodes 48 et les arrivees de courant anodique 49 (croi-sillon).
~e couran-t cathodique est collecte par un elemen-t 50 comportant un collecteur vertical 51 bon conducteur elec-trique, eventuellement protége de la corrosion par un gai-nage isolant 52 et dont l'extremite est coiffee par un capuchon 53 en TiB2.
On pourrai-t craindre que, dans cet-te disposition, le courant horizontal parcouran-t la nappe de metal n'y induise des mouvements inacceptables du metal Mais, en fait, ces mouvements sont fortement attenues par les parois des dis-positi~s d'ancrage e-t de guidage des elements cathodiques.
En outre, on constate que les elements cathodiques flot-tants agissent comme un veri-table diaphragme en-tre la nappe S~3 d'aluminium liquide e-t les anodes, ce qui exclut toute in-fluence néfaste de ces mouvements de métal sur le rendement Faraday, en s'opposant au transport par convec-tion, vers l'anode, d'especes métalliques ou partiellement rédui-tes, en particulier d'aluminium et de sodium.
On peut ai.nsi, dans une disposition telle que celle de la figure 15, gagner une grande partie de la chu-te de tension dans les blocs cathodiques classiques (environ 400 millivolts), et une partie de la chu-te de -tension (en-viron 100 mV) dans les conducteurs de liaison de cuve à
cuve 54 qui sont sensiblement raccourcis, avec une diminu-tion corrélative de l'investissement correspondant à ces conducteurs.
-- 1'1 --
Claims (33)
1. Elément cathodique flottant destiné à la production électrolytique d'aluminium par le procédé Hall-Héroult dans une cuve d'électrolyse comportant un bain à
base de cryolithe fondue, entre une anode carbonée, une nappe cathodique d'aluminium fondu, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément cathodique actif, constitué
en réfractaire électroconducteur, supporté
par un support intermédiaire inerte vis-à-vis de l'aluminium liquide et de l'électrolyte, la densité moyenne de l'ensemble élément cathodique actif-support intermédiaire inerte étant inférieure à la densité de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'exploitation de la cuve d'électrolyse.
base de cryolithe fondue, entre une anode carbonée, une nappe cathodique d'aluminium fondu, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément cathodique actif, constitué
en réfractaire électroconducteur, supporté
par un support intermédiaire inerte vis-à-vis de l'aluminium liquide et de l'électrolyte, la densité moyenne de l'ensemble élément cathodique actif-support intermédiaire inerte étant inférieure à la densité de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'exploitation de la cuve d'électrolyse.
2. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 1, caractérisé en ce que sa densité moyenne est inférieure à la densité de l'aluminium liquide et à la den-sité du bain d'électrolyse à base de cryolithe fondue, dans les conditions normales d'utilisation de la cuve d'électro-lyse.
3. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 2, caractérisé en ce que sa densité moyenne est comprise entre la densité de l'aluminium liquide et la den-sité du bain d'électrolyse à base de cryolithe fondue, dans les conditions normales d'utilisation de la cuve d'électro-lyse.
4. Elément cathodique flottant, selon la re-vendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens d'ancrage et de butée qui limitent l'amplitude de ses déplacements dans le sens vertical.
5. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 4, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de guidage limitant l'amplitude de ses déplacements dans des directions autres que la verticale.
6. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 5, caractérisé en ce qu'au moins une partie du moyen de guidage est solidaire du moyen d'ancrage.
7. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité
d'éléments cathodiques actifs, associés à un support inter-médiaire inerte.
d'éléments cathodiques actifs, associés à un support inter-médiaire inerte.
8. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 6, caractérisé en ce que chaque élément cathodique actif est associé, individuellement, à un support intermé-diaire inerte.
9. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 1, 6 ou 7, caractérisé en ce que le support inter-médiaire inerte est en graphite.
10. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens d'ancrage et de butée qui limitent l'amplitude de ses déplacements dans le sens vertical.
11. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens de guidage limitant l'amplitude de ses déplacements dans des directions autres que la verticale.
12. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 11, caractérisé en ce qu'au moins une partie du moyen de guidage est solidaire du moyen d'ancrage.
13. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'éléments cathodiques actifs, associés à un support intermédiaire inerte.
14. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, 11 ou 12, caractérisé en ce que chaque élément cathodique actif est associé, individuellement, à
un support intermédiaire inerte.
un support intermédiaire inerte.
15. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, 11 ou 12, caractérisé en ce que le support intermédiaire inerte est en graphite.
16. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, 8 ou 11, caractérisé en ce qu'il est relié
au départ de courant cathodique par un collecteur disposé
à la partie supérieure de la cuve d'électrolyse.
au départ de courant cathodique par un collecteur disposé
à la partie supérieure de la cuve d'électrolyse.
17. Elément cathodique flottant selon la revendication 1, 8 ou 11, caractérisé en ce qu'il est placé
sur le fond d'une cuve d'électrolyse constitué en un maté-riau peu ou pas conducteur du courant électrique.
sur le fond d'une cuve d'électrolyse constitué en un maté-riau peu ou pas conducteur du courant électrique.
18, Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, dans lequel l'élément cathodique actif est en TiB2 et est formé par une tête et une queue, la queue étant positionnée dans des orifices prévus dans ledit support intermédiaire inerte qui est en graphite.
19. Elément cathodique flottant, selon la revendication 18, dans lequel cet élément cathodique repose sur l'orifice du support par l'intermédiaire des bossages ou d'ailettes qui ménagent un intervalle farovi-sant l'écoulement de l'aluminium liquide au fur et à
mesure de sa production.
mesure de sa production.
20. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, dans lequel l'élément cathodique flottant est ancré à un substrat cathodique par des plots, chaque plot ayant une tête qui coopère avec un redent 11 du support intermédiaire pour assurer une butée qui limite sa course vers le haut, des éléments cathodiques actifs, constitués par des tronçons de tubes fendus enfilés sur un rail, ces tubes laissant entre eux un espace libre pour l'écoulement de l'aluminium produit.
21. Elément cathodique flottant, selon la revendication 20, dans lequel ledit support intermédiaire est en graphite, et lesdits éléments cathodiques actifs sont en TiB2, et dans lequel le rapport masse de graphite/
masse de TiB2 est fixé de façon telle que la densité
moyenne de l'ensemble soit inférieure à la densité de l'électrolyte si bien que l'élément cathodique flottant est, normalement, en butée haute.
masse de TiB2 est fixé de façon telle que la densité
moyenne de l'ensemble soit inférieure à la densité de l'électrolyte si bien que l'élément cathodique flottant est, normalement, en butée haute.
22. Elément cathodique flottant, selon la revendication 21, dans lequel les éléments actifs en TiB2 dépassent l'interface de l'éléctrolyte d'au moins 10 mm.
23. Elément cathodique flottant, selon la revendication 22, dans lequel le support intermédiaire est épais pour avoir toujours une base qui baigne dans l'alumi-nium fondu.
24. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 1, comprenant un plateau en graphite revêtu de TiB2 en revêtement mince effectué par dépôt chimique en phase vapeur ou projection au chalumeau à plasma, le pla-teau flottant étant retenu au fond par un bloc dense en béton réfractaire, résistant à l'action de l'aluminium liquide reposant sur un substrat cathodique.
25. Elément cathodique flottant, selon la revendication 24, dans lequel le bloc dense est muni de canaux pour assurer la circulation de l'aluminium et le passage du courant.
26. Elément cathodique flottant, selon la revendication 25, dans lequel le bloc réfractaire est intégralement noyé dans le métal, un support perforé, maintenant les éléments cathodiques actifs en TiB2 ayant une densité inférieure à la densité du bain d'électrolyse.
27. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, dans lequel chaque élément cathodique actif, qui est TiB2 est associé en un flotteur en graphite.
28. Elément cathodique flottant, selon la reven-dication 27, dans lequel chaque élément cathodique actif en TiB2 est enchassé dans une bague en graphite, le support intermédiaire en matériau inerte faisant office de butée haute pour la bague, ce support intermédiaire venant en appui sur le substrat cathodique.
29. Elément cathodique flottant, selon la revendication 28, dans lequel chaque élément cathodique actif est une plaque fixée par une vis sur un flotteur en graphite.
30. Elément cathodique flottant, selon la revendication 29, dans lequel le flotteur en graphite comporte un puits fermé en sa partie basse et rempli d'alu-minium liquide, les éléments cathodiques actifs en TiB2 s'appuyant sur le flotteur par des ailettes.
31. Cuve d'électrolyse pour la production électrolytique d'aluminium par le procédé Hall-Héroult, comprenant:
- un caisson métallique externe contenant un garnissage thermiquement isolant et un garnissage réfrac-taire et électriquement isolant, - une nappe d'aluminium liquide contenue dans ledit garnissage réfractaire, - un élément cathodique flottant, selon la revendication 1, dans ladite nappe d'aluminium, - un électrolyte dans ledit garnissage réfrac-taire, - des anodes dans ledit électrolyte, ces anodes étant munies d'arrivées de courant anodique.
- un caisson métallique externe contenant un garnissage thermiquement isolant et un garnissage réfrac-taire et électriquement isolant, - une nappe d'aluminium liquide contenue dans ledit garnissage réfractaire, - un élément cathodique flottant, selon la revendication 1, dans ladite nappe d'aluminium, - un électrolyte dans ledit garnissage réfrac-taire, - des anodes dans ledit électrolyte, ces anodes étant munies d'arrivées de courant anodique.
32. Cuve selon la revendication 31, dans laquelle le courant cathodique est collecté par un élément comportant un collecteur vertical bon conducteur électrique.
33. Cuve selon la revendication 32, dans laquelle le collecteur vertical est protégé par un gainage isolant, ledit collecteur ayant une extrémité libre coiffée par un capuchon en TiB2.
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