CA2517148A1 - Verin destine au deplacement d'un cadre anodique d'une cellule d'electrolyse pour la production d'aluminium - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur les vérins utilisés pour le déplacement du cadre anodique de cellules d'électrolyse destinées à la production d'aluminium.
Selon l'invention, le vérin (100, 100') comprend une gaine (120) munie d'une ouverture (121), une tige d'actionnement (140) comportant une cavité axiale (141) et un filetage (142) et apte à se déplacer dans ladite ouverture, une vis d'entraînement (130) insérée dans ladite cavité axiale et apte à coopérer avec ledit filetage de manière à entraîner le déplacement de ladite tige (140) dans la gaine (120) et dans ladite ouverture (121), une roue d'entraînement dentée (150) couplée à la vis d'entraînement (130), et une vis sans fin apte à
être raccordée à l'arbre d'un moteur d'entraînement (200) et à coopérer avec la roue d'entraînement (150) de manière à entraîner sa rotation, et est caractérisé en ce que l'entraxe E entre l'axe R de la roue d'entraînement et l'axe V de la vis sans fin est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction RR entre la vis sans fin et la roue d'entraînement est compris entre 300:1 et 80:1. Ce vérin permet d'atteindre simultanément des puissances et des efforts de traction relativement élevés, tout en étant susceptible d'occuper un volume relativement limité.
Selon l'invention, le vérin (100, 100') comprend une gaine (120) munie d'une ouverture (121), une tige d'actionnement (140) comportant une cavité axiale (141) et un filetage (142) et apte à se déplacer dans ladite ouverture, une vis d'entraînement (130) insérée dans ladite cavité axiale et apte à coopérer avec ledit filetage de manière à entraîner le déplacement de ladite tige (140) dans la gaine (120) et dans ladite ouverture (121), une roue d'entraînement dentée (150) couplée à la vis d'entraînement (130), et une vis sans fin apte à
être raccordée à l'arbre d'un moteur d'entraînement (200) et à coopérer avec la roue d'entraînement (150) de manière à entraîner sa rotation, et est caractérisé en ce que l'entraxe E entre l'axe R de la roue d'entraînement et l'axe V de la vis sans fin est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction RR entre la vis sans fin et la roue d'entraînement est compris entre 300:1 et 80:1. Ce vérin permet d'atteindre simultanément des puissances et des efforts de traction relativement élevés, tout en étant susceptible d'occuper un volume relativement limité.
Description
VÉRIN DESTINE AU DÉPLACEMENT D'UN CADRE ANODIQUE D'UNE
CELLULE D'ÉLECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé de Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement les dispositifs de fixation et de déplacement des anodes des cellules d'électrolyse destinées à
la production d'aluminium.
État de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par 1 S électrolyse de (alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyte, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites ee cuves d'élecirolyse », comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Ides aaaodes, typiquement en m~.tériau carboné, sont fixées ~. une superstructure munie de moyens pour les déplacer verticalement durant le processus d'électrolyse. L'ensemble formé par une cuve d'électrolyse, ses anodes et le bain d'électrolyte est appelé une cellule d'électrolyse.
Plusieurs dispositifs ont été proposés pour permettre la fixation et le déplacement des anodes par rapport à la cuve. La présente invention concerne plus particulièrement les dispositifs de fixation et de déplacement comprenant des éléments de structure fixes, un cadre - appelé cadre anodique - destiné au levage ou à l'abaissement simultané des anodes fixées au dit cadre et des moyens de déplacement du dit cadre comprenant un ou plusieurs vérins. Les brevets français FR 1 440 005 (correspondant au brevet américain US 4 410 786) et FR 2 517 704 (correspondants au brevet américain US 4 465 578) décrivent de tels dispositifs.
CELLULE D'ÉLECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé de Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement les dispositifs de fixation et de déplacement des anodes des cellules d'électrolyse destinées à
la production d'aluminium.
État de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par 1 S électrolyse de (alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyte, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites ee cuves d'élecirolyse », comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Ides aaaodes, typiquement en m~.tériau carboné, sont fixées ~. une superstructure munie de moyens pour les déplacer verticalement durant le processus d'électrolyse. L'ensemble formé par une cuve d'électrolyse, ses anodes et le bain d'électrolyte est appelé une cellule d'électrolyse.
Plusieurs dispositifs ont été proposés pour permettre la fixation et le déplacement des anodes par rapport à la cuve. La présente invention concerne plus particulièrement les dispositifs de fixation et de déplacement comprenant des éléments de structure fixes, un cadre - appelé cadre anodique - destiné au levage ou à l'abaissement simultané des anodes fixées au dit cadre et des moyens de déplacement du dit cadre comprenant un ou plusieurs vérins. Les brevets français FR 1 440 005 (correspondant au brevet américain US 4 410 786) et FR 2 517 704 (correspondants au brevet américain US 4 465 578) décrivent de tels dispositifs.
2 Le développement de cellules d'électrolyse d'intensité nominale de plus en plus élevée, de même que (accroissement de l'intensité de cellules d'électrolyse existantes, entraînent un alourdissement des ensembles formés par un cadre anodique et des anodes fixées à celui-ci. Cet alourdissement nécessite des vérins aptes à
développer des puissances de plus en plus grandes afm de permettre le déplacement desdits ensembles de manière satisfaisante.
La demanderesse a donc recherché des vérins aptes à développer des efforts élevés, aptes à s'insérer dans les espaces limités et encombrés des superstructures de cellules d'électrolyse, et aptes à fonctionner à proximité des cellules d'électrolyse de forte intensité.
Descripti~n de l'invention L'invention a pour objet un vérin comprenant une gaine munie d'une ouverture, une tige d'actionnement comportant une cavité axiale et un filetage et apte à se déplacer dans ladite ouverture, une vis d'entraînement insérée dans ladite cavité
axiale et apte à coopérer avec ledit filetage de manière à entraîner le déplacement de ladite tige dans la gaine et dans ladgte ~uverture, une roue d'entraînement dentée couplée à la vis d'entraînement, et une vis sans fin apte ~ être raccordée à (arbre d'un moteur et à
coopérer avec la roue d'entraînement de maniére ~. entraîner sa rotation, et caractérisé
en ce que fentraxe E entre l'axe IZ de la roue d'entraînement et l'axe V de la vis sans fin est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction Rl~
entre la vis sans fin et la roue d'entraînement est compris entre 300:1 et X0:1.
La demanderesse a trouvé qu'il était possible de concevoir un vérin capable d'atteindre simultanément des puissances et des efforts de traction relativement élevés, tout en étant susceptible d'occuper un volume relativement limité, grâce à la combinaison des caractéristiques du vérin selon (invention.
développer des puissances de plus en plus grandes afm de permettre le déplacement desdits ensembles de manière satisfaisante.
La demanderesse a donc recherché des vérins aptes à développer des efforts élevés, aptes à s'insérer dans les espaces limités et encombrés des superstructures de cellules d'électrolyse, et aptes à fonctionner à proximité des cellules d'électrolyse de forte intensité.
Descripti~n de l'invention L'invention a pour objet un vérin comprenant une gaine munie d'une ouverture, une tige d'actionnement comportant une cavité axiale et un filetage et apte à se déplacer dans ladite ouverture, une vis d'entraînement insérée dans ladite cavité
axiale et apte à coopérer avec ledit filetage de manière à entraîner le déplacement de ladite tige dans la gaine et dans ladgte ~uverture, une roue d'entraînement dentée couplée à la vis d'entraînement, et une vis sans fin apte ~ être raccordée à (arbre d'un moteur et à
coopérer avec la roue d'entraînement de maniére ~. entraîner sa rotation, et caractérisé
en ce que fentraxe E entre l'axe IZ de la roue d'entraînement et l'axe V de la vis sans fin est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction Rl~
entre la vis sans fin et la roue d'entraînement est compris entre 300:1 et X0:1.
La demanderesse a trouvé qu'il était possible de concevoir un vérin capable d'atteindre simultanément des puissances et des efforts de traction relativement élevés, tout en étant susceptible d'occuper un volume relativement limité, grâce à la combinaison des caractéristiques du vérin selon (invention.
3 L'invention permet également d'obtenir un vérin irréversible, c'est-à-dire un vérin dont la tige d'actionnement bouge peu en charge, ce qui évite le recours à un frein intégré.
Le vérin selon l'invention est tout particulièrement adapté au déplacement des cadres anodiques des cellules d'électrolyse destinées à la production d'aluminium.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de modes de réalisation prëférés de celle-ci qui sont exposés ci-dessous et qui sont illustrés à
l'aide des figures annexées.
La figure 1 illustre une cellule d'électrolyse typique tronquée et vue en perspective.
La figure 2 illustre, vue en perspective, une superstructure typique d'une cellule d'électrolyse.
La â~gure 3 illustre un vérin selon l'invention, vu en section longitudinale.
La figure 4 illustre un vérin selon l'invention, vu en section transvers~.le selon le plan C-~ de la. figure 3.
Les cellules d'électrolyse (1) d'une usine de production d'aluminium par électrolyse ignée comprennent une cuve (2), apte à contenir le métal liquide et le bain d'ëlectrolyte, une superstructure (10) et une série d'anodes (3). La superstructure (10) comporte un portique fixe (11) et un cadre anodique mêtallique mobile (12).
Les anodes (3) sont munies d'une tige métallique (4) destinée à la fixation et au raccordement électrique des anodes (3) au cadre anodique (12). La superstructure (10) comporte également au moins un vérin (100, 100') couplé au cadre anodique (12) par des bielles (20, 21, 22, 21', 22') et des leviers (30, 31, 32, 33, 34, 31', 32', 33', 34'). Le cadre anodique (12) est déplacé verticalement (vers le haut ou vers le bas) sous l'action du ou des vérins (100, 100').
Le vérin selon l'invention est tout particulièrement adapté au déplacement des cadres anodiques des cellules d'électrolyse destinées à la production d'aluminium.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de modes de réalisation prëférés de celle-ci qui sont exposés ci-dessous et qui sont illustrés à
l'aide des figures annexées.
La figure 1 illustre une cellule d'électrolyse typique tronquée et vue en perspective.
La figure 2 illustre, vue en perspective, une superstructure typique d'une cellule d'électrolyse.
La â~gure 3 illustre un vérin selon l'invention, vu en section longitudinale.
La figure 4 illustre un vérin selon l'invention, vu en section transvers~.le selon le plan C-~ de la. figure 3.
Les cellules d'électrolyse (1) d'une usine de production d'aluminium par électrolyse ignée comprennent une cuve (2), apte à contenir le métal liquide et le bain d'ëlectrolyte, une superstructure (10) et une série d'anodes (3). La superstructure (10) comporte un portique fixe (11) et un cadre anodique mêtallique mobile (12).
Les anodes (3) sont munies d'une tige métallique (4) destinée à la fixation et au raccordement électrique des anodes (3) au cadre anodique (12). La superstructure (10) comporte également au moins un vérin (100, 100') couplé au cadre anodique (12) par des bielles (20, 21, 22, 21', 22') et des leviers (30, 31, 32, 33, 34, 31', 32', 33', 34'). Le cadre anodique (12) est déplacé verticalement (vers le haut ou vers le bas) sous l'action du ou des vérins (100, 100').
4 Selon l'invention, le vérin (100, 100') comprend - une gaine (120) munie d'une ouverture (121), - une tige d'actionnement (140) comportant une cavité axiale (141) et un filetage (142) et apte à se déplacer dans ladite ouverture (121), - une vis d'entraînement (130) insérée dans ladite cavité axiale (141) et apte à
coopérer avec ledit fletage (142) de manière à entraîner le déplacement de ladite tige (140) dans ladite gaine (120) et dans ladite ouverture (121), - une roue d'entraînement (150) dentée couplée à la vis d'entraînement (130), - une vis sans fin (160) apte à être raccordée à (arbre (210) d'un moteur d'entrainement (200) et à coopérer avec la roue d'entrainement (150) de manière à
entraîner sa rotation, et est caractérisé en ce que fentraxe E entre l'axe R de la roue d'entraînement (150) et Taxe V de la vis sans fin (160) est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction entre la vis sans fin (160) et la roue d'entrainement (150) est compris entre 300:1 e1 X0:1.
Le rapport de réduction I~ est donné par le rapport entre le nombre de tours effectué
par la vis sans fin (160) autour de son axe V Lorsque la roua d'entraînement (150) effectue un tour complet autour de son axe ~1. En d'autres termes, le rapport de réduction h~~ est: d~raré par le ra~rnbre de dents de la roue d'entraînexxgent ( 1 ~0).
Dans sa recherche d'une solution au problème posé à (invention, la demanderesse a constaté que (ensemble des contraintes imposées par l'utilisation d'un vérin dans les cellules d'électrolyse nécessitait la prise en compte d'un grand nombre de paramètres qui ne permettait pas de prévoir une zone de fonctionnement acceptable. En particulier, des paramètres variables proviennent d'au moins trois niveaux de couplage, à savoir un premier niveau entre l'arbre (210) du moteur d'entraînement (200) et la vis sans fin (160), un deuxième niveau entre la vis sans fin (160) et la roue d'entraînement (150) et un troisième niveau entre la roue d'entraînement (150) et la tige d'actionnement (140). Des paramètres variables proviennent également des relations qui relient les puissances en jeux (notamment les puissances d'entrée, interne et de sortie), les vitesses - linéaires et angulaires - souhaitées et acceptables, S
les rapports de réduction et les pas de filetage. En outre, des paramètres variables supplémentaires proviennent des coefficients de rendement des engrenages et des caractéristiques mécaniques des matériaux possibles.
La demanderesse a noté que, de manière inattendue, il était possible d'arriver à une solution au problème posé en, s'éloignant sensiblement des configurations et valeurs de paramètres normalement utilisées dans les vérins connus.
En particulier, elle a noté qu'un entraxe plus petit que 100 mm permettrait difficilement d'obtenir la réduction de vitesse de rotation requise pour la vis d'entrainement (130) ou nécessiterait d'intercaler un étage de réduction de vitesse supplémentaire entre le moteur (200) et la vis sans fin (160) ou d'utiliser un moteur spëcial à petite vitesse (c'est-à-dire moins de 500 tour/min environ), et donc un moteur de grande dimension et cher. Un tel entrave pourrait également nécessiter de compenser ee manque de réduction sur l'écrou (143) avec un pas de vis plus petit et, par conséquent, des filets fns et fragiles. ITn entrera plus grand que 350 mm augmenterait de manière rédhibitoire la taille du vérin et le rendrait peu compatible avec l'espace réduit et encombré des superstructures de cellules d'électrolyse. Ledit entrave E est de préférence compris entre 150 et 300 mm, et de préférence encore entre 1 ~0 et ~~0 nmn.
En outre, elle a constaté qu'un rapport de réduction inférieur à X0:1 imposerait l'utilisation d'ara étage de réduction supplémentaire entre le moteur et la vis sans f n afin d'obtenir les faibles vitesses de déplacement (entrées et sorties) de la tige d'actionnement requises dans (utilisation envisagée. Le rapport de réduction iZR est de préférence limité à des valeurs inférieures à 300:1 afin d'éviter le recours à des roues d'entraînement (150) ayant un grand diamètre, ce qui serait incompatible avec la contrainte de compacité imposée à (invention. Le rapport de réduction RR
est de préférence encore compris entre 100:1 et 250:1. Dans un mode de réalisation préféré
de l'invention, le rapport de réduction RR est compris entre 140:1 et 200:1.
La demanderesse a également constaté que la vis sans fin (160) du vérin selon (invention est, ou est susceptible d'étre, engagée directement sur l'arbre (210) d'un moteur d'entraînement (200), c'est-à-dire sans réducteur intermédiaire entre (arbre d'entraînement et la vis sans fin, ce qui permet de réduire sensiblement le volume du vérin. Il peut y avoir un couplage souple entre (arbre du moteur et la vis sans fin.
Le moteur d'entraînement (200) est de préférence un moteur à courant alternatif (typiquement un moteur asynchrone). La puissance du moteur est typiquement comprise entre 3 et 20 kW (lorsque le moteur actionne un seul vérin, sa puissance est typiquement comprise entre 3 et 8 kW ; lorsque le moteur actionne deux vérins, sa puissance est typiquement comprise entre 5 et 20 kW). Le couple développé par le moteur est de prëférence supérieur à 50 Nm et typiquement compris entre 70 et Nm. La vitesse de rotation du moteur se situe typiquement entre 750 et 1 S00 tr/mn, et plus typiquement entre 1000 et 1500 tr/mn.
Le diamètre moyen D de la vis d'entrainement (130) est de préférence inférieur à 150 mm afin de limiter le diamètre extérieur de la gaine (120) à des valeurs acceptables.
Le diamètre D est de préférence compris entre 50 et 120 mm, et de préférence encore entre 7â et 105 xnm. ITn diamètre inférieur à 50 mrn conduirait à une trop grande fragilisation de la vis d'entrainement (130).
Ledit filetage (142) couvre tout ou partie de la paroi intérieure de la tige d'actionnement (140). Le filetage (142) est avantageusement formé sur un embout filetë (ou écrou) (143) qui est fixé à l'extrémité intërieure (144) de la tige d'actionnement (140) ou solidaire de celle-ci. Les filets du f Jetage (142) peuvent être simples ou multiples (par exemple, deux filets parallèles). La longueur du filetage est typiquement au moins égale à 10 fois le pas de la vis d'entraînement. Le pas du filetage (142) est de préférence compris entre 14 et 20 mm, et de préférence encore entre 16 et 18 mm. La demanderesse a observé que ces valeurs de pas de filetage permettaient d'obtenir une tenue à (effort élevée dans les plages de valeurs de vitesse de déplacement de la tige d'actionnement envisagées.
Les dimensions et paramètres du vérin selon (invention permettent d'obtenir simultanément, et de manière satisfaisante, des vitesses de déplacement de la tige d'actionnement et des efforts de tractions compatibles avec le déplacement des cadres anodiques de cellules d'électrolyse, tout en impliquant des vitesses de rotation de l'arbre du moteur, de la vis sans fin et de la vis d'entraînement acceptables et qui évitent le recours à des moteurs lents, volumineux et de coût élevé.
La vitesse de rotation de la vis sans fin (160) est typiquement comprise entre 750 et 1500 tr/mn, et plus typiquement encore entre 1000 et 1500 tr/mn. La vitesse de la vis d'entraînement (130) est typiquement comprise entre 5 et 15 tr/mn, et plus typiquement entre 7 et 10 tr/mn. Cette vitesse est égale à celle de la roue d'entraînement lorsque la vis d'entraînement est fixée à la roue ou solidaire de celle-ci. Ces vitesses permettent d'atteindre simultanément, et de manière satisfaisante, des vitesses de déplacement de la tige d'actionnement et des efforts de tractions acceptables pour le déplacement des cadres anodiques de cellules d'électrolyse.
Le vérin selon l'invention peut développer des efforts de tractions supérieurs à 100 kN. Les efforts de traction sont typiquement compris entre 150 et 600 kN. De tels efforts sont requis pour déplacer verticalement un cadre anodique chargé
d'anodes sans avoir recours ~ des rapports de levier importants au niveau des le~riers de la superstructure d'une cellule d'électrolyse.
Les vitesses de déplacement d'entrée ou de sortie de la tige du vérin sont typiquement comprises entre 100 et 300 mm/mn, et plus typiquement entre 120 et 150 mm/mn.
Ces vitesses sont compatibles avec une régulation par petites impulsions du niveau du cadre anodique.
L'invention permet d'utiliser des moteurs d'entraînement dont le diamètre est inférieur à 350 mm, voire inférieur à 250 mm, tout en disposant de la puissance et des efforts de traction nécessaires au déplacement de cadres anodiques de cellules d'électrolyse destinées à la production d'aluminium dont la masse, incluant celle des anodes, est typiquement de plusieurs dizaines de tonnes. Les dimensions du vérin selon l'invention sont typiquement de SSO à 700 mm en dimensïon transversale et de 1500 à 2400 mm en longueur totale (avec la tige d'aetionnement en position rétractée).
La roue d'entraînement {150} est couplée mécaniquement â la vis d'entraînement {130). Dans un mode de réalisation prëfëré de (invention, la roue d'erttxainetnent (150} est fixée à la vis d'entrainernent (130), ou solidaire de celle-ci, Taxe de rotation R de la roue d'entraïnement (150) et Taxe de rotation ~ de la vis d'entraînement {1~0) coïncident de maniére à former un axe de rotation commun A..
De préférence, l'axe l~~l du moteur {200} et Taxe ~ de la vis sans fin {160}
cc~ineident.
L'axe ~ de la vis sans fin (160} est typiquement perpendiculaire à Taxe R de 1a. roue.
La gaine {120} communique avantageusement avec le carter {110) du vérin afin d'a~aoir une réserve de lubri~aiat unique, typiquement par des ot~~~e~°tdu°e~ (114.). f,a.
ca~~té a«iaïe ( 141 ) de la. tige d'actionnetnent { 140) coxnrnunique avanntageusernenr avec la gaine {120), typiquement par des ou~aer~ares (146) aménagées sa paroi, a.~.~.
de permettre une lubrification du filetage. L'extrémïté extérieure de la. tige d'actionnement {140} est munie d'un moyen de fixation (14~).
Le vérin (100, 100') comporte de préférence pan joint d'écl~éité (122) entre l~, tige d'actionnement ( 140) et la gaine { 120}. Il a été trouvé plus avantageux d'utiliser une gaine (120) rigide plutôt qu'une gaine en forme de soufflet, dont sont sou~aer~t rnunïs les vérins classiques à grande course, En effet, une gaine en forn~.e de soufflet, qui se plie et se déplie constamment en cours d'utilisation, prësente (inconvénient d'étre sensible à l'abrasion provoquée par des nmtiéres abrasives, telles que faluynine, qui sont en suspension dans l'environnement d'une cellule d'électrolyse et qui pourraient se déposer dans les plis du soufflet.
La gaine (120) comporte avantageusement une partie tubulaire de longueur importante {typiquement approximativement égale à ia course de la tige d'actionnement à l'intérieure de celle-ci), af n de permettre de guider les déplacements de la tige d'actionnement.
La roue d'entraînement (150) du vérin selon l'invention repose de préférence sur au moins un palier (151, 152). Le palier peut être situé du côté opposé à la vis d'entraînement (130) ou entre la roue et la vis d'entraînement.
Les moyens de fixation ( 111 ) du vérin peuvent être placés sur la partie arrière ( 112) du vérin, c'est-à-dire la partie du vérin opposée à la tige d'actionnement (140), ou sur la partie avant (113) du vérin, typiquement sur la gaine (120).
Le moteur (200) d'entraînement du vêrin peut être propre à un vërin ou commun à au moins deux vérins. Dans le cas de deux vérins, (arbre du moteur est typiquement traversant et raccordé à un vérin de chaque côté du moteur. Le raccordement de (arbre du moteur à deux ou plusieurs vérins permet une plus grande compacité
du dispositif d'entraînement et une synchronisation des vérins.
Le vérin selon (invention est tout particulièrement destiné à être utilisë
dans une cellule d'électrolyse pour la production d'aluminium. Ainsi, l'invention a également p~ur objet l'e~tilisation d'un vérin (100, 100') selon (invention pour le déplacement d'un cidre anodique (12) d'une superstructure (10) d'une cellule d'électrolyse (1) destinëe à la production d'aluminium.
L'invention a encore pour objet une superstructure (10) destinée à âtre installée dans une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium et eomportant un cadre anodique (12) et au moins un vérin (100, 100') selon (invention pour déplacer ledit cadre. L'invention a encore pour objet une cellule d'électrolyse (1) munie d'une telle superstructure (10).
Lesdites cellules d'électrolyse (1) sont susceptibles de fonctionner à des intensités typiquement supérieures à 300 lcA, voire supérieure à 400 lcA, et pouvant atteindre plus de 500 kA.
Liste des repères 1 Cellule d'lectrolyse
coopérer avec ledit fletage (142) de manière à entraîner le déplacement de ladite tige (140) dans ladite gaine (120) et dans ladite ouverture (121), - une roue d'entraînement (150) dentée couplée à la vis d'entraînement (130), - une vis sans fin (160) apte à être raccordée à (arbre (210) d'un moteur d'entrainement (200) et à coopérer avec la roue d'entrainement (150) de manière à
entraîner sa rotation, et est caractérisé en ce que fentraxe E entre l'axe R de la roue d'entraînement (150) et Taxe V de la vis sans fin (160) est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction entre la vis sans fin (160) et la roue d'entrainement (150) est compris entre 300:1 e1 X0:1.
Le rapport de réduction I~ est donné par le rapport entre le nombre de tours effectué
par la vis sans fin (160) autour de son axe V Lorsque la roua d'entraînement (150) effectue un tour complet autour de son axe ~1. En d'autres termes, le rapport de réduction h~~ est: d~raré par le ra~rnbre de dents de la roue d'entraînexxgent ( 1 ~0).
Dans sa recherche d'une solution au problème posé à (invention, la demanderesse a constaté que (ensemble des contraintes imposées par l'utilisation d'un vérin dans les cellules d'électrolyse nécessitait la prise en compte d'un grand nombre de paramètres qui ne permettait pas de prévoir une zone de fonctionnement acceptable. En particulier, des paramètres variables proviennent d'au moins trois niveaux de couplage, à savoir un premier niveau entre l'arbre (210) du moteur d'entraînement (200) et la vis sans fin (160), un deuxième niveau entre la vis sans fin (160) et la roue d'entraînement (150) et un troisième niveau entre la roue d'entraînement (150) et la tige d'actionnement (140). Des paramètres variables proviennent également des relations qui relient les puissances en jeux (notamment les puissances d'entrée, interne et de sortie), les vitesses - linéaires et angulaires - souhaitées et acceptables, S
les rapports de réduction et les pas de filetage. En outre, des paramètres variables supplémentaires proviennent des coefficients de rendement des engrenages et des caractéristiques mécaniques des matériaux possibles.
La demanderesse a noté que, de manière inattendue, il était possible d'arriver à une solution au problème posé en, s'éloignant sensiblement des configurations et valeurs de paramètres normalement utilisées dans les vérins connus.
En particulier, elle a noté qu'un entraxe plus petit que 100 mm permettrait difficilement d'obtenir la réduction de vitesse de rotation requise pour la vis d'entrainement (130) ou nécessiterait d'intercaler un étage de réduction de vitesse supplémentaire entre le moteur (200) et la vis sans fin (160) ou d'utiliser un moteur spëcial à petite vitesse (c'est-à-dire moins de 500 tour/min environ), et donc un moteur de grande dimension et cher. Un tel entrave pourrait également nécessiter de compenser ee manque de réduction sur l'écrou (143) avec un pas de vis plus petit et, par conséquent, des filets fns et fragiles. ITn entrera plus grand que 350 mm augmenterait de manière rédhibitoire la taille du vérin et le rendrait peu compatible avec l'espace réduit et encombré des superstructures de cellules d'électrolyse. Ledit entrave E est de préférence compris entre 150 et 300 mm, et de préférence encore entre 1 ~0 et ~~0 nmn.
En outre, elle a constaté qu'un rapport de réduction inférieur à X0:1 imposerait l'utilisation d'ara étage de réduction supplémentaire entre le moteur et la vis sans f n afin d'obtenir les faibles vitesses de déplacement (entrées et sorties) de la tige d'actionnement requises dans (utilisation envisagée. Le rapport de réduction iZR est de préférence limité à des valeurs inférieures à 300:1 afin d'éviter le recours à des roues d'entraînement (150) ayant un grand diamètre, ce qui serait incompatible avec la contrainte de compacité imposée à (invention. Le rapport de réduction RR
est de préférence encore compris entre 100:1 et 250:1. Dans un mode de réalisation préféré
de l'invention, le rapport de réduction RR est compris entre 140:1 et 200:1.
La demanderesse a également constaté que la vis sans fin (160) du vérin selon (invention est, ou est susceptible d'étre, engagée directement sur l'arbre (210) d'un moteur d'entraînement (200), c'est-à-dire sans réducteur intermédiaire entre (arbre d'entraînement et la vis sans fin, ce qui permet de réduire sensiblement le volume du vérin. Il peut y avoir un couplage souple entre (arbre du moteur et la vis sans fin.
Le moteur d'entraînement (200) est de préférence un moteur à courant alternatif (typiquement un moteur asynchrone). La puissance du moteur est typiquement comprise entre 3 et 20 kW (lorsque le moteur actionne un seul vérin, sa puissance est typiquement comprise entre 3 et 8 kW ; lorsque le moteur actionne deux vérins, sa puissance est typiquement comprise entre 5 et 20 kW). Le couple développé par le moteur est de prëférence supérieur à 50 Nm et typiquement compris entre 70 et Nm. La vitesse de rotation du moteur se situe typiquement entre 750 et 1 S00 tr/mn, et plus typiquement entre 1000 et 1500 tr/mn.
Le diamètre moyen D de la vis d'entrainement (130) est de préférence inférieur à 150 mm afin de limiter le diamètre extérieur de la gaine (120) à des valeurs acceptables.
Le diamètre D est de préférence compris entre 50 et 120 mm, et de préférence encore entre 7â et 105 xnm. ITn diamètre inférieur à 50 mrn conduirait à une trop grande fragilisation de la vis d'entrainement (130).
Ledit filetage (142) couvre tout ou partie de la paroi intérieure de la tige d'actionnement (140). Le filetage (142) est avantageusement formé sur un embout filetë (ou écrou) (143) qui est fixé à l'extrémité intërieure (144) de la tige d'actionnement (140) ou solidaire de celle-ci. Les filets du f Jetage (142) peuvent être simples ou multiples (par exemple, deux filets parallèles). La longueur du filetage est typiquement au moins égale à 10 fois le pas de la vis d'entraînement. Le pas du filetage (142) est de préférence compris entre 14 et 20 mm, et de préférence encore entre 16 et 18 mm. La demanderesse a observé que ces valeurs de pas de filetage permettaient d'obtenir une tenue à (effort élevée dans les plages de valeurs de vitesse de déplacement de la tige d'actionnement envisagées.
Les dimensions et paramètres du vérin selon (invention permettent d'obtenir simultanément, et de manière satisfaisante, des vitesses de déplacement de la tige d'actionnement et des efforts de tractions compatibles avec le déplacement des cadres anodiques de cellules d'électrolyse, tout en impliquant des vitesses de rotation de l'arbre du moteur, de la vis sans fin et de la vis d'entraînement acceptables et qui évitent le recours à des moteurs lents, volumineux et de coût élevé.
La vitesse de rotation de la vis sans fin (160) est typiquement comprise entre 750 et 1500 tr/mn, et plus typiquement encore entre 1000 et 1500 tr/mn. La vitesse de la vis d'entraînement (130) est typiquement comprise entre 5 et 15 tr/mn, et plus typiquement entre 7 et 10 tr/mn. Cette vitesse est égale à celle de la roue d'entraînement lorsque la vis d'entraînement est fixée à la roue ou solidaire de celle-ci. Ces vitesses permettent d'atteindre simultanément, et de manière satisfaisante, des vitesses de déplacement de la tige d'actionnement et des efforts de tractions acceptables pour le déplacement des cadres anodiques de cellules d'électrolyse.
Le vérin selon l'invention peut développer des efforts de tractions supérieurs à 100 kN. Les efforts de traction sont typiquement compris entre 150 et 600 kN. De tels efforts sont requis pour déplacer verticalement un cadre anodique chargé
d'anodes sans avoir recours ~ des rapports de levier importants au niveau des le~riers de la superstructure d'une cellule d'électrolyse.
Les vitesses de déplacement d'entrée ou de sortie de la tige du vérin sont typiquement comprises entre 100 et 300 mm/mn, et plus typiquement entre 120 et 150 mm/mn.
Ces vitesses sont compatibles avec une régulation par petites impulsions du niveau du cadre anodique.
L'invention permet d'utiliser des moteurs d'entraînement dont le diamètre est inférieur à 350 mm, voire inférieur à 250 mm, tout en disposant de la puissance et des efforts de traction nécessaires au déplacement de cadres anodiques de cellules d'électrolyse destinées à la production d'aluminium dont la masse, incluant celle des anodes, est typiquement de plusieurs dizaines de tonnes. Les dimensions du vérin selon l'invention sont typiquement de SSO à 700 mm en dimensïon transversale et de 1500 à 2400 mm en longueur totale (avec la tige d'aetionnement en position rétractée).
La roue d'entraînement {150} est couplée mécaniquement â la vis d'entraînement {130). Dans un mode de réalisation prëfëré de (invention, la roue d'erttxainetnent (150} est fixée à la vis d'entrainernent (130), ou solidaire de celle-ci, Taxe de rotation R de la roue d'entraïnement (150) et Taxe de rotation ~ de la vis d'entraînement {1~0) coïncident de maniére à former un axe de rotation commun A..
De préférence, l'axe l~~l du moteur {200} et Taxe ~ de la vis sans fin {160}
cc~ineident.
L'axe ~ de la vis sans fin (160} est typiquement perpendiculaire à Taxe R de 1a. roue.
La gaine {120} communique avantageusement avec le carter {110) du vérin afin d'a~aoir une réserve de lubri~aiat unique, typiquement par des ot~~~e~°tdu°e~ (114.). f,a.
ca~~té a«iaïe ( 141 ) de la. tige d'actionnetnent { 140) coxnrnunique avanntageusernenr avec la gaine {120), typiquement par des ou~aer~ares (146) aménagées sa paroi, a.~.~.
de permettre une lubrification du filetage. L'extrémïté extérieure de la. tige d'actionnement {140} est munie d'un moyen de fixation (14~).
Le vérin (100, 100') comporte de préférence pan joint d'écl~éité (122) entre l~, tige d'actionnement ( 140) et la gaine { 120}. Il a été trouvé plus avantageux d'utiliser une gaine (120) rigide plutôt qu'une gaine en forme de soufflet, dont sont sou~aer~t rnunïs les vérins classiques à grande course, En effet, une gaine en forn~.e de soufflet, qui se plie et se déplie constamment en cours d'utilisation, prësente (inconvénient d'étre sensible à l'abrasion provoquée par des nmtiéres abrasives, telles que faluynine, qui sont en suspension dans l'environnement d'une cellule d'électrolyse et qui pourraient se déposer dans les plis du soufflet.
La gaine (120) comporte avantageusement une partie tubulaire de longueur importante {typiquement approximativement égale à ia course de la tige d'actionnement à l'intérieure de celle-ci), af n de permettre de guider les déplacements de la tige d'actionnement.
La roue d'entraînement (150) du vérin selon l'invention repose de préférence sur au moins un palier (151, 152). Le palier peut être situé du côté opposé à la vis d'entraînement (130) ou entre la roue et la vis d'entraînement.
Les moyens de fixation ( 111 ) du vérin peuvent être placés sur la partie arrière ( 112) du vérin, c'est-à-dire la partie du vérin opposée à la tige d'actionnement (140), ou sur la partie avant (113) du vérin, typiquement sur la gaine (120).
Le moteur (200) d'entraînement du vêrin peut être propre à un vërin ou commun à au moins deux vérins. Dans le cas de deux vérins, (arbre du moteur est typiquement traversant et raccordé à un vérin de chaque côté du moteur. Le raccordement de (arbre du moteur à deux ou plusieurs vérins permet une plus grande compacité
du dispositif d'entraînement et une synchronisation des vérins.
Le vérin selon (invention est tout particulièrement destiné à être utilisë
dans une cellule d'électrolyse pour la production d'aluminium. Ainsi, l'invention a également p~ur objet l'e~tilisation d'un vérin (100, 100') selon (invention pour le déplacement d'un cidre anodique (12) d'une superstructure (10) d'une cellule d'électrolyse (1) destinëe à la production d'aluminium.
L'invention a encore pour objet une superstructure (10) destinée à âtre installée dans une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium et eomportant un cadre anodique (12) et au moins un vérin (100, 100') selon (invention pour déplacer ledit cadre. L'invention a encore pour objet une cellule d'électrolyse (1) munie d'une telle superstructure (10).
Lesdites cellules d'électrolyse (1) sont susceptibles de fonctionner à des intensités typiquement supérieures à 300 lcA, voire supérieure à 400 lcA, et pouvant atteindre plus de 500 kA.
Liste des repères 1 Cellule d'lectrolyse
5 2 Cuve 3 Anode 4 Tige d'anode 10 Superstructure 11 Portique 10 12 Cadre anodique 20, 21, 22, 21', Bielles 22' 30, 31, 32,..., Leviers 31', 32',...
100, 100' Vrin 110 Carter du vrin 111 Moyen de ~~ation 112 Partie arrire du vrin 113 Partie avant du vrin 114 Ouverture 120 Ciaine 121 Ouverture 122 Joint d'tanchit 130 Vis d'entrainement 140 Tige d'actionnement 141 Cavit axiale 142 Filetage 143 Embout filet (crou) 144 Extrmit intrieure de la tige d'actionnement 145 Moyen de fixation 146 Ouverture 150 Roue d'entranement 151, 152 Paliers 160 Vis sans fm 200 Moteur d'entraînement 210 Arbre du moteur A Axe du vrin D Diamtre moyen de la vis d'entranement E Entraxe de rduction M Axe du moteur R Axe de la roue d'entranement RR Rapport de rduction T Axe de la tige d'actionnement V Axe de la vis sans fin
100, 100' Vrin 110 Carter du vrin 111 Moyen de ~~ation 112 Partie arrire du vrin 113 Partie avant du vrin 114 Ouverture 120 Ciaine 121 Ouverture 122 Joint d'tanchit 130 Vis d'entrainement 140 Tige d'actionnement 141 Cavit axiale 142 Filetage 143 Embout filet (crou) 144 Extrmit intrieure de la tige d'actionnement 145 Moyen de fixation 146 Ouverture 150 Roue d'entranement 151, 152 Paliers 160 Vis sans fm 200 Moteur d'entraînement 210 Arbre du moteur A Axe du vrin D Diamtre moyen de la vis d'entranement E Entraxe de rduction M Axe du moteur R Axe de la roue d'entranement RR Rapport de rduction T Axe de la tige d'actionnement V Axe de la vis sans fin
Claims (16)
1. Vérin (100, 100') comportant une gaine (120) munie d'une ouverture (121), une tige d'actionnement (140) comportant une cavité axiale (141) et un filetage (142) et apte à se déplacer dans ladite ouverture (121), une vis d'entraînement (130) insérée dans ladite cavité axiale (141) et apte à coopérer avec ledit filetage (142) de manière à entraîner le déplacement de ladite tige (140) dans ladite gaine (120) et dans ladite ouverture (121), une roue d'entraînement (150) dentée couplée à
la vis d'entraînement (130), une vis sans fin (160) apte à être raccordée à
l'arbre (210) d'un moteur d'entraînement (200) et à coopérer avec la roue d'entraînement (150) de manière à entraîner sa rotation, et caractérisé en ce que l'entraxe E
entre l'axe R de la roue d'entraînement (150) et l'axe V de la vis sans fin (160) est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction RR entre la vis sans fin (160) et la roue d'entraînement (150) est compris entre 300:1 et 80:1.
la vis d'entraînement (130), une vis sans fin (160) apte à être raccordée à
l'arbre (210) d'un moteur d'entraînement (200) et à coopérer avec la roue d'entraînement (150) de manière à entraîner sa rotation, et caractérisé en ce que l'entraxe E
entre l'axe R de la roue d'entraînement (150) et l'axe V de la vis sans fin (160) est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction RR entre la vis sans fin (160) et la roue d'entraînement (150) est compris entre 300:1 et 80:1.
2. Vérin (100, 100') selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraxe E est compris entre 150 et 300 mm.
3. Vérin (100, 100') selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'entraxe E est compris entre 180 et 290 mm.
4. Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport de réduction RR est compris entre 100:1 et 250:1.
5. Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport de réduction RR est compris entre 140:1 et 200:1.
6. Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vis sans fin (160) du vérin est, ou est susceptible d'être, engagée directement sur l'arbre (210) d'un moteur d'entraînement (200).
7. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre moyen D de la vis d'entraînement (130) est inférieur à 150 mm.
8. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre moyen D de la vis d'entraînement (130) est compris entre 50 et 120 mm.
9. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le diamètre moyen D de la vis d'entraînement (130) est compris entre 75 et 105 mm.
10. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le filetage (142) est formé sur un embout fileté (143) qui est fixé à
l'extrémité intérieure (144) de la tige d'actionnement (140) ou solidaire de celle-ci.
l'extrémité intérieure (144) de la tige d'actionnement (140) ou solidaire de celle-ci.
11. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que le pas du filetage (142) est compris entre 14 et 20 mm.
en ce que le pas du filetage (142) est compris entre 14 et 20 mm.
12. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé
en ce que pas du filetage (142) est compris entre 16 et 18 mm.
en ce que pas du filetage (142) est compris entre 16 et 18 mm.
13. ~Vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé
en ce que la roue d'entraînement (150) est fixée à la vis d'entraînement (130), ou solidaire de celle-ci, et en ce que l'axe de rotation R de la roue d'entraînement (150) et l'axe de rotation T de la vis d'entraînement (130) coïncident de manière à former un axe de rotation commun A.
en ce que la roue d'entraînement (150) est fixée à la vis d'entraînement (130), ou solidaire de celle-ci, et en ce que l'axe de rotation R de la roue d'entraînement (150) et l'axe de rotation T de la vis d'entraînement (130) coïncident de manière à former un axe de rotation commun A.
14. ~Utilisation d'un vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à
13 pour le déplacement d'un cadre anodique (12) d'une superstructure (10) d'une cellule d'électrolyse (1) destinée à la production d'aluminium.
13 pour le déplacement d'un cadre anodique (12) d'une superstructure (10) d'une cellule d'électrolyse (1) destinée à la production d'aluminium.
15. Superstructure (10) destinée à être installée dans une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium et comportant un cadre anodique (12) et au moins un vérin (100, 100') selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 pour déplacer ledit cadre.
16. Cellule d'électrolyse (1) munie d'une superstructure (10) selon la revendication 15.
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