CA2361610C - Cathode graphite pour l'electrolyse de l'aluminium - Google Patents
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Abstract
Dans cette cathode monobloc, la résistivité électrique est hétérogène le lon g de son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones d'extrémité de la cathode (3) que dans la zone centrale de celle-ci.
Description
CATIiODE GRAPHITE POUR L'ELECTROLYSE DE L'ALUMINIUM
La présente invention a pour objet une cathode graphite pour l'électrolyse de l'aluminium.
Dans le procédé électrolytique utilisé dans la plupart des usines de production d'aluminium, une cuve d'électrolyse comprend, dans un caisson métallique gainé de réfractaires, une sole cathodique composée de plusieurs blocs cathodiques juxtaposés. Cet ensemble constitue le creuset qui, rendu étanche par de la pâte de brasque, est le siège de la transformation, sous l'action du courant électrique, du bain électrolytique en aluminium. Cette réaction a lieu a une température supérieure en général à 950°C.
Pour résister aux conditions thermiques et chimiques prévalant lors du fonctionnement de la cuve et satisfaire à la nécessité de conduction du courant d'électrolyse, le bloc cathodique est fabriqué à partir de matériau carboné. Ces matériaux vont du semi-graphitique au graphite. Ils sont mis en ~ 5 forme par extrusion ou par vibrotassage après malaxage des matières premières ~ soit un mélange de brai, d'anthracite calciné et/ou de graphite dans le cas des matériaux semi-graphitiques et graphitiques. Ces matériaux sont ensuite cuits à environ 1 200°C. La cathode graphitique ne contient pas 2o d'anthracite. La cathode fabriquée à partir de ces matériaux est communément appelée cathode carbone, ~ soit un mélange de brai, de coke avec ou sans graphite dans le cas des graphites. Dans ce cas les matériaux sont cuits à environ 800°C, puis graphitisés à plus de 2 400°C. Cette cathode est appelée cathode 25 graphite.
II est connu d'utiliser des cathodes carbone, qui cependant ont des caractéristiques électriques et thermiques moyennes, ne convenant plus aux conditions de fonctionnement des cuves modernes, notamment de forte intensité de courant. La nécessité de réduire la consommation d'énergie, et la 3o possibilité d'augmenter l'intensité du courant, notamment dans des installations existantes, a promu l'utilisation des cathodes graphite.
Le traitement de graphitisation de la cathode graphite, à plus de
La présente invention a pour objet une cathode graphite pour l'électrolyse de l'aluminium.
Dans le procédé électrolytique utilisé dans la plupart des usines de production d'aluminium, une cuve d'électrolyse comprend, dans un caisson métallique gainé de réfractaires, une sole cathodique composée de plusieurs blocs cathodiques juxtaposés. Cet ensemble constitue le creuset qui, rendu étanche par de la pâte de brasque, est le siège de la transformation, sous l'action du courant électrique, du bain électrolytique en aluminium. Cette réaction a lieu a une température supérieure en général à 950°C.
Pour résister aux conditions thermiques et chimiques prévalant lors du fonctionnement de la cuve et satisfaire à la nécessité de conduction du courant d'électrolyse, le bloc cathodique est fabriqué à partir de matériau carboné. Ces matériaux vont du semi-graphitique au graphite. Ils sont mis en ~ 5 forme par extrusion ou par vibrotassage après malaxage des matières premières ~ soit un mélange de brai, d'anthracite calciné et/ou de graphite dans le cas des matériaux semi-graphitiques et graphitiques. Ces matériaux sont ensuite cuits à environ 1 200°C. La cathode graphitique ne contient pas 2o d'anthracite. La cathode fabriquée à partir de ces matériaux est communément appelée cathode carbone, ~ soit un mélange de brai, de coke avec ou sans graphite dans le cas des graphites. Dans ce cas les matériaux sont cuits à environ 800°C, puis graphitisés à plus de 2 400°C. Cette cathode est appelée cathode 25 graphite.
II est connu d'utiliser des cathodes carbone, qui cependant ont des caractéristiques électriques et thermiques moyennes, ne convenant plus aux conditions de fonctionnement des cuves modernes, notamment de forte intensité de courant. La nécessité de réduire la consommation d'énergie, et la 3o possibilité d'augmenter l'intensité du courant, notamment dans des installations existantes, a promu l'utilisation des cathodes graphite.
Le traitement de graphitisation de la cathode graphite, à plus de
2 400°C, permet l'augmentation des conductivités électrique et thermique, créant ainsi les conditions suffisantes à un fonctionnement optimisé d'une cuve d'électrolyse. La consommation d'énergie diminue en raison de la baisse de la résistance électrique de la cathode. Une autre façon de profiter de cette baisse de résistance électrique consiste à augmenter l'intensité du courant injecté dans la cuve, permettant ainsi une augmentation de la production d'aluminium. La valeur élevée de la conductibilité thermique de la cathode perrnet alors ('évacuation de l'excès de chaleur généré par l'augmentation d'intensité. De plus, les cuves à cathode graphite apparaissent moins instables électriquement, c'est-à-dire comportant moins de fluctuation des i o potentiels électriques, que les cuves à cathodes carbone.
Toutefois, il s'est révélé que les cuves équipées de cathodes graphite présentent une durée de vie plus faible que les cuves équipées de cathodes carbone. Les cuves à cathodes graphite deviennent inutilisables par un enrichissement trop élevé en fer de l'aluminium, qui résulte de l'attaque de l5 la barre _cathodique par l'aluminium. Le métal atteint fa barre par suite de l'érosion du bloc graphite. Bien qu'une érosion des cathodes carbone soit également constatée, elle est beaucoup plus faible et n'altère pas la durée de vie des cuves qui deviennent inutilisables pour d'autres causes que l'érosion de la cathode.
2o Au contraire, l'usure des cathodes graphite est suffisamment rapide pour devenir la première cause de mortalité des cuves d'électrolyse de l'aluminium à un âge que l'on peut qualifier de précoce par rapport aux durées de vie enregistrées pour les cuves équipées de cathodes carbone.
Ainsi on enregistre les vitesses d'usure suivantes pour les différents 25 matériaux Cathode vitesse d'usure (mm/an~
Carbone, semi-graphitique 10-20 Carbone, graphitique 20-40 graphite 40-80 3p La figure 1 du dessin schématique annexé montre un bloc cathodique 3, avec les barres cathodiques d'amenée de courant 2, dont le profil initial est désigné par la référence 4. Le profil d'érosion 5, représenté en
Toutefois, il s'est révélé que les cuves équipées de cathodes graphite présentent une durée de vie plus faible que les cuves équipées de cathodes carbone. Les cuves à cathodes graphite deviennent inutilisables par un enrichissement trop élevé en fer de l'aluminium, qui résulte de l'attaque de l5 la barre _cathodique par l'aluminium. Le métal atteint fa barre par suite de l'érosion du bloc graphite. Bien qu'une érosion des cathodes carbone soit également constatée, elle est beaucoup plus faible et n'altère pas la durée de vie des cuves qui deviennent inutilisables pour d'autres causes que l'érosion de la cathode.
2o Au contraire, l'usure des cathodes graphite est suffisamment rapide pour devenir la première cause de mortalité des cuves d'électrolyse de l'aluminium à un âge que l'on peut qualifier de précoce par rapport aux durées de vie enregistrées pour les cuves équipées de cathodes carbone.
Ainsi on enregistre les vitesses d'usure suivantes pour les différents 25 matériaux Cathode vitesse d'usure (mm/an~
Carbone, semi-graphitique 10-20 Carbone, graphitique 20-40 graphite 40-80 3p La figure 1 du dessin schématique annexé montre un bloc cathodique 3, avec les barres cathodiques d'amenée de courant 2, dont le profil initial est désigné par la référence 4. Le profil d'érosion 5, représenté en
3 pointillés, montrè que cette érosion est accentuée aux extrémités du bloc cathodique.
Le document FR 2 117 960 décrit une cathode pour l.a préparation d'aluminium par électrolyse. Cette cathode est réalisée à partir de plusieurs blocs en carbone semi-graphitique, de résistivités différentes les uns des autres. Cette structure complexe en raison de la juxtaposition de blocs avec la discontinuité électrique qu'elle entraîne, est justifiée non pas par une diminution de l'érosion, puisque les cathodes de ce type ne sont pas sensibles à l'érosion, mais par une diminution du gonflement de la sole dans la zone centrale.
La vitesse d'érosion d'un bloc cathodique graphite est, par conséquent, son point faible, et son attrait économique en terme de gain de production peut disparaître si la durée de vie ne peut pas être augmentée.
Le calcul des densités de courant dans la cathode montre que celles-ci sont plus élevées du côté de la sortie des barres cathodique. Ces densités de courant sont d'autant plus élevées que la résistance électrique de la cathode est faible. Ainsi le profil d'érosion de chaque cathode, et notamment tes fortes usures observées aux extrémités des cathodes correspondent aux zones de fortes densités de courant dans la cathode.
Le problème posé est donc de réduire l'érosion de cathodes en graphite, notamment dans les zones d'extrémité de celles-ci.
Le but de l'invention est de fournir une cathode graphite dont la durée de vie soit augmentée pàr limitation de l'érosion qui se produit aux 2 0 extrémités.
Ainsi, le but de l'invention, tel que revendiqué
est de fournir une cathode graphite pour électrolyse de l'aluminium dont 1a résistance à l'érosion est améliorée, caractérisée en ce qu'elle est monobloc et en ce que sa résistivité électrique est hétérogène le long de son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones d'extrémité de la cathode que dans la zone centrale de celle-ci, la différence de résistivité dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode étant 30 obtenue par un traitement thermique différent dans ces différentes zones lors de l'opération de graphitisation, 3a les zones d'extrémité étant à une température inférieure à
celle de la zone centrale.
A cet effet, dans la cathode selon l'invention, la cathode en graphite est monobloc et sa résistivité électrique est hétérogène le long de son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones d'extrémité de fa cathode que dans la zone centrale de celle-ci.~ La résistivité
moyenne du produit restera compatible avec un fonctionnement optimisé de la cuve d'électrolyse. La plus forte résistivité dans ies zones d'extrémité de la cathode canalise les lignes de courant vers le centre de la cuve. De ce fait, 1o les fortes densités de courant habituellement enregistrées vers la sortie des barres cathodiques sont atténuées, inhibant ainsi le mécanisme d'érosion
Le document FR 2 117 960 décrit une cathode pour l.a préparation d'aluminium par électrolyse. Cette cathode est réalisée à partir de plusieurs blocs en carbone semi-graphitique, de résistivités différentes les uns des autres. Cette structure complexe en raison de la juxtaposition de blocs avec la discontinuité électrique qu'elle entraîne, est justifiée non pas par une diminution de l'érosion, puisque les cathodes de ce type ne sont pas sensibles à l'érosion, mais par une diminution du gonflement de la sole dans la zone centrale.
La vitesse d'érosion d'un bloc cathodique graphite est, par conséquent, son point faible, et son attrait économique en terme de gain de production peut disparaître si la durée de vie ne peut pas être augmentée.
Le calcul des densités de courant dans la cathode montre que celles-ci sont plus élevées du côté de la sortie des barres cathodique. Ces densités de courant sont d'autant plus élevées que la résistance électrique de la cathode est faible. Ainsi le profil d'érosion de chaque cathode, et notamment tes fortes usures observées aux extrémités des cathodes correspondent aux zones de fortes densités de courant dans la cathode.
Le problème posé est donc de réduire l'érosion de cathodes en graphite, notamment dans les zones d'extrémité de celles-ci.
Le but de l'invention est de fournir une cathode graphite dont la durée de vie soit augmentée pàr limitation de l'érosion qui se produit aux 2 0 extrémités.
Ainsi, le but de l'invention, tel que revendiqué
est de fournir une cathode graphite pour électrolyse de l'aluminium dont 1a résistance à l'érosion est améliorée, caractérisée en ce qu'elle est monobloc et en ce que sa résistivité électrique est hétérogène le long de son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones d'extrémité de la cathode que dans la zone centrale de celle-ci, la différence de résistivité dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode étant 30 obtenue par un traitement thermique différent dans ces différentes zones lors de l'opération de graphitisation, 3a les zones d'extrémité étant à une température inférieure à
celle de la zone centrale.
A cet effet, dans la cathode selon l'invention, la cathode en graphite est monobloc et sa résistivité électrique est hétérogène le long de son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones d'extrémité de fa cathode que dans la zone centrale de celle-ci.~ La résistivité
moyenne du produit restera compatible avec un fonctionnement optimisé de la cuve d'électrolyse. La plus forte résistivité dans ies zones d'extrémité de la cathode canalise les lignes de courant vers le centre de la cuve. De ce fait, 1o les fortes densités de courant habituellement enregistrées vers la sortie des barres cathodiques sont atténuées, inhibant ainsi le mécanisme d'érosion
4 dans ces zones. La durée de vie de la cuve est donc augmentée. A titre indicatif, les zones d'extrémité de la cathode peuvent être considérées comme situées entre environ 0 et 800 mm à partir de chaque extrémité.
Suivant une possibilité, au cours de l'opération de graphitisation, les zones d'extrémité de la cathode sont portées à une température de l'ordre de 2 200-2 500 ° C, tandis que la zone centrale est portée à une température de l'ordre de 2 700 à 3 000°C.
Conformément à un premier mode de réalisation, la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la 7o cathode est obtenue en limitant le calorifugeage du four de graphitisation et/ou en disposant des drains thermiques dans les zones d'extrémité des cathodes, pour augmenter les déperditions thermiques.
Suivant un autre mode de réalisation, la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode 15 est obtenue en créant, lors de l'opération de graphitisation, des modifications locales des lignes de courant et, par suite, de l'effet Joule qui en résulte.
II est possible d'associer ces deux phénomènes lors d'une même opération de graphitisation.
Conformément à un mode de réalisation de la cathode selon 20 l'invention, dans le cas où l'opération de graphitisation est réalisée simultanément pour plusieurs cathodes disposées parallèlement les unes aux autres à l'intérieur d'un four, par exemple de type Acheson, dans lequel les cathodes sont séparées les unes des autres par un garnissage de grain résistor, par exemple des granulés de carbone ou de coke, la différence de 25 traitement thermique entre les zones d'extrémité et la zone centrale est obtenue en modulant la résistivité du grain résistor entre deux cathodes et/ou en disposant des drains thermiques, dans les zones d'extrémité.
De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, 3o à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs installations pour l'obtention d'une cathode selon l'invention Figure 1 est une vue d'une cathode, avec indication plus spécifique de l'érosion de celle-ci après un certain temps de fonctionnement ;
Figures 2 à 4 sont trois vues, respectivement, de dessus, de face et de côté d'un four de graphitisation de type Acheson ;
Figures 5 à 7 sont trois vues, respectivement, de dessus, de face et de côté d'un four de graphitisation de type longitudinal.
Suivant une possibilité, au cours de l'opération de graphitisation, les zones d'extrémité de la cathode sont portées à une température de l'ordre de 2 200-2 500 ° C, tandis que la zone centrale est portée à une température de l'ordre de 2 700 à 3 000°C.
Conformément à un premier mode de réalisation, la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la 7o cathode est obtenue en limitant le calorifugeage du four de graphitisation et/ou en disposant des drains thermiques dans les zones d'extrémité des cathodes, pour augmenter les déperditions thermiques.
Suivant un autre mode de réalisation, la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode 15 est obtenue en créant, lors de l'opération de graphitisation, des modifications locales des lignes de courant et, par suite, de l'effet Joule qui en résulte.
II est possible d'associer ces deux phénomènes lors d'une même opération de graphitisation.
Conformément à un mode de réalisation de la cathode selon 20 l'invention, dans le cas où l'opération de graphitisation est réalisée simultanément pour plusieurs cathodes disposées parallèlement les unes aux autres à l'intérieur d'un four, par exemple de type Acheson, dans lequel les cathodes sont séparées les unes des autres par un garnissage de grain résistor, par exemple des granulés de carbone ou de coke, la différence de 25 traitement thermique entre les zones d'extrémité et la zone centrale est obtenue en modulant la résistivité du grain résistor entre deux cathodes et/ou en disposant des drains thermiques, dans les zones d'extrémité.
De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, 3o à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs installations pour l'obtention d'une cathode selon l'invention Figure 1 est une vue d'une cathode, avec indication plus spécifique de l'érosion de celle-ci après un certain temps de fonctionnement ;
Figures 2 à 4 sont trois vues, respectivement, de dessus, de face et de côté d'un four de graphitisation de type Acheson ;
Figures 5 à 7 sont trois vues, respectivement, de dessus, de face et de côté d'un four de graphitisation de type longitudinal.
5 Les figures 2 à 4 montrent un four 6 de type Acheson, dans lequel un certain nombre de cathodes 3 sont disposées parallèlement les unes aux autres, sur plusieurs rangées, avec interposition entre les différentes cathodes d'un grain résistor 7. Ce grain résistor peut être constitué, par exemple par des granulés de carbone ou de coke. L'ensemble est disposé à l'intérieur d'un grain calorifuge 8. De l'énergie électrique est injectée à l'intérieur du four, pour réaliser l'opération de graphitisation, l'échauffement résultant de l'effet Joule. Dans un four de ce type, les lignes de courant sont perpendiculaires à
l'axe des cathodes 3. Pour réaliser un échauffement moindre dans les zones d'extrémité des cathodes 3, la résistivité du grain résistor est plus élevée dans les zones 9 correspondant aux zones d'extrémité des cathodes 3, que celle de ce grain résistor dans la zone 10 correspondant à la partie centrale dès cathodes. II est également possible de réduire l'épaisseur du grain calorifuge 8 dans les zones d'extrémité des cathodes, pour favoriser le phénomène de limitation de la température de graphitisation dans ces zones 2o d'extrémité par déperdition thermique.
La figure 5 représente un four longitudinal 1 1 dans lequel plusieurs cathodes 3 sont disposées bout à bout, avec interposition entre deux cathodes voisines d'un joint de graphitisation 12. Les joints de graphitisation sont aussi peu résistifs que possible pour éviter un échauffement indésirable à la jonction entre les cathodes. En outre, des déperditions thermiques matérialisées par des flèches sont créées dans les zones d'extrémité des cathodes, en prévoyant une épaisseur de calorifuge 8 plus faible, et/ou la présence de drains thermiques qui peuvent être en graphite et positionnés perpendiculairement aux cathodes, en regard des zones à refroidir.
3o Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant une cathode de structure traditionnelle, et obtenue par des moyens connus, possédant une résistivité plus élevée dans ses zones d'extrémité que dans sa zone centrale,
l'axe des cathodes 3. Pour réaliser un échauffement moindre dans les zones d'extrémité des cathodes 3, la résistivité du grain résistor est plus élevée dans les zones 9 correspondant aux zones d'extrémité des cathodes 3, que celle de ce grain résistor dans la zone 10 correspondant à la partie centrale dès cathodes. II est également possible de réduire l'épaisseur du grain calorifuge 8 dans les zones d'extrémité des cathodes, pour favoriser le phénomène de limitation de la température de graphitisation dans ces zones 2o d'extrémité par déperdition thermique.
La figure 5 représente un four longitudinal 1 1 dans lequel plusieurs cathodes 3 sont disposées bout à bout, avec interposition entre deux cathodes voisines d'un joint de graphitisation 12. Les joints de graphitisation sont aussi peu résistifs que possible pour éviter un échauffement indésirable à la jonction entre les cathodes. En outre, des déperditions thermiques matérialisées par des flèches sont créées dans les zones d'extrémité des cathodes, en prévoyant une épaisseur de calorifuge 8 plus faible, et/ou la présence de drains thermiques qui peuvent être en graphite et positionnés perpendiculairement aux cathodes, en regard des zones à refroidir.
3o Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une grande amélioration à la technique existante en fournissant une cathode de structure traditionnelle, et obtenue par des moyens connus, possédant une résistivité plus élevée dans ses zones d'extrémité que dans sa zone centrale,
6 PCT/FR00/00232 permettant ainsi de diminuer la densité de courant dans la cathode à ses extrémités, et d'augmenter la résistance à l'érosion dans ces zones d'extrémité.
Claims (7)
1. Cathode graphite pour électrolyse de l'aluminium dont la résistance à l'érosion est améliorée, caractérisée en ce qu'elle est monobloc et en ce que sa résistivité électrique est hétérogène le long de son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones d'extrémité de la cathode que dans la zone centrale de celle-ci, la différence de résistivité dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode étant obtenue par un traitement thermique différent dans ces différentes zones lors de l'opération de graphitisation, les zones d' extrémité étant à une température inférieure à
celle de la zone centrale.
celle de la zone centrale.
2. Cathode graphite selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au cours de l'opération de graphitisation, les zones d'extrémité de la cathode sont portées à une température de l'ordre de 2 200-2 500°C, tandis que la zone centrale est portée à une température de l'ordre de 2 700 à 3 000°C.
3. Procédé de fabrication d'une cathode graphite selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode en limitant le calorifugeage du four de graphitisation et/ou en disposant des drains thermiques en regard des zones d'extrémité de cathodes, pour augmenter les déperditions thermiques.
4. Procédé de fabrication d'une cathode graphite selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode en créant, lors de l'opération de graphitisation, des modifications locales de lignes de courant et, par suite, de l'effet Joule qui en résulte.
5. Procédé de fabrication d'une cathode graphite selon la revendication 4, caractérisé en ce que, dans le cas où l'opération de graphitisation est réalisée simultanément pour plusieurs cathodes disposés parallèlement les unes aux autres à l'intérieur du four, dans lequel les cathodes sont séparées les unes des autres par un garnissage de gain résistor, la différence de traitement thermique entre les zones d'extrémité et la zone centrale de la cathode est obtenue en modulant la résistivité électrique du grain résistor entre deux cathodes et/ou en disposant des drains thermiques, en regard des zones d'extrémité.
6. Procédé de fabrication d'une cathode graphite selon la revendication 5, caractérisé en ce que le four est de type Acheson.
7. Procédé de la fabrication d'une cathode graphite selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le garnissage de grain résistor sont des granulés de carbone ou de coke.
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