Cellule pour la production électrolytique de métaux<B>à</B> partir de composés fondus Dans le brevet suisse No <B>357554</B> du<B>30</B> décembre <B>1955,</B> on décrit l'utilisation d'un type particulier d'anode<B>à</B> trois couches ainsi qu'un procédé pour reconstituer périodiquement cette anode dans, les fours<B>à</B> cellules multiples<B>à</B> structures d'électrodes bipolaires consommables anodiquement, mais fixes.
Ce type d'anode<B>à</B> trois couches comportant deux couches solides et une couche liquide est particuliè rement utile pour l'électrolyse de l'alumine dissoute dans des sels fondus. Uanode comprend de préfé rence une couche permanente et fixe de<B> </B> charbon<B> </B> (de préférence de graphite) qui, dans les électrodes bipolaires (électrodes intermédiaires) forme une seule pièce avec le<B> </B> charbon<B> </B> cathodique. (Les mots <B> </B> charbon<B> , </B> charbon d'électrodes<B> ,</B> ou<B> </B> charbon anodique<B> ,</B> désignent ici toute substance<B>à</B> base de carbone amorphe, de graphite ou d'une masse ou aggloméré carboné qui est susceptible de jouer le rôle d'électrode anodique, d'électrode cathodique ou d'électrode bipolaire).
Contre cette couche anodique permanente et fixe s'appuie, du côté du bain, une deuxième couche anodique solide qui est consomma ble et reconstituable et qui est formée d'un<B> </B> charbon anodique<B> </B> cuit<B>à</B> l'avance, maintenu en place par la force ascensionnelle que lui donne<B>le</B> bain fondu.
(Ci- après, l'expression<B> </B> couche anodique active<B> </B> servira <B>à</B> désigner la partie de la deuxième couche qui, étant en contact avec le bain électrolytique, est soumise<B>à</B> une consommation, électrolytique, et l'expression <B> </B> assemblage de reconstitution anodique<B> </B> sera utili sée pour désigner la deuxième couche, ou charbon de reconstitution, et n'indique pas seulement la <B> </B> couche anodique active<B> </B> telle qu'elle est définie ici, mais aussi une portion émergeant du bain ou pro tégée du contact avec celui-ci, ainsi qu'il apparaîÎtra ci-après).
Entre ces deux couches de<B> </B> charbon<B> ,</B> qui peu vent même se toucher en certains points, est inter posée une couche liquide, de manière<B>à</B> remplir com- plùtement l'espace formé entre les deux couches de charbon solide.
La mince couche liquide intermédiaire est formée d'une ou plusieurs substances fondues, parmi celles qui sont<B>déjà</B> présentes dans la cellule d'électrolyse (par exemple bain fondu ou aluminium fondu ou les deux enserable). La résistance de cette couche au passage du courant électrique (continu) est faible<B>;</B> celle des deux couches solides est négligeable. La couche de charbon consommable et reconstituable décrite dans le brevet<B>déjà</B> cité peut être constituée par une seule plaque d'épaisseur uniforme, ou par plusieurs morceaux individuels formant la plaque ou couche, et qui sont également uniformes et d'une épaisseur égale. Cette couche de reconstitution doit être périodiquement introduite et mise en place dans la cellule.
On opère de préférence la reconstitution quand la couche solide consommable est presque complètement consommée par l'effet de l'électrolyse.
L'alumine, en se décomposant par électrolyse, donne du métal et brûle le charbon anodique: 2 Al.03 4<B>AI + 30,</B> (décomposition élec trolytique théorique 2 02<B>+</B> 2<B>C -----></B> 2<B>CO,</B> (réaction anodique théorique). L'aluminium formé est libéré<B>à</B> la cathode et s'écoule vers le bas. L'oxygène brûle le charbon ano dique, et les gaz<B>CO,</B> et<B>CO</B> ainsi formés tendent<B>à</B> monter dans le bain et<B>à</B> se dégager par le haut. L'opération<B>de</B> reconstitution anodique oblige<B>à</B> ouvrir <B>le</B> four et les cellules individuelles, et<B>à</B> introduire dans le bain les charbons de reconstitution, relativement froids. On rencontre aussi d'autres inconvénients.
La présente invention vise<B>à</B> éviter ces inconvé nients et elle a pour objet une. cellule pour la pro duction électrolytique de métaux<B>à</B> partir de com posés fondus, comportant au moins une électrode bipolaire, dont les faces actives sont opposées, incli nées, pratiquement planes et parallèles, l'anode com prenant une couche active consommable électrolyti- quement et reconstituable, reposant contre un bloc d'électrode fixe, caractérisé en ce que la surface con tre laquelle repose ladite couche forme un angle diè dre aigu avec le plan de la face opposée cathodique de l'électrode, en ce que la cellule comporte des moyens pour amener<B>à</B> l'anode une couche de recons titution, de haut en bas et parallèlement<B>à</B> ladite sur face,
<B>à</B> mesure que ladite couche se consomme élec- trolytiquement, ainsi que des moyens pour limiter la descente de la couche de reconstitution au niveau nécessaire pour qu'elle réoccupe Pespace laissé par la consommation électrolytique.
De préférence, la face de la couche de reconsti tution qui repose contre le bloc fixe d'électrode, et la face opposée libre de cette couche, sont toutes deux inclinées du même côté par rapport<B>à</B> un plan vertical, la face libre et active, faisant face au bain étant disposée vers le bas. Ainsi, la couche de recons titution peut avoir une section transversale triangu laire, son sommet étant disposé vers le bas. La cou che peut avantageusement être constituée par plu sieurs blocs superposés.
Ou, si l'on veut, la face de la couche de recons titution qui repose contre le bloc fixe d'électrode, et la face opposée libre, sont inclinées en sens opposé par rapport<B>à</B> un plan vertical.
Les moyens d'amenée de la couche<B>de</B> reconsti tution comprennent de préférence un guide dont l'axe est parallèle au plan de l'électrode contre lequel repose la couche de reconstitution. Le guide peut avantageusement être construit en matière réfractaire, et être muni d'un couvercle en matière thermo-iso- lante.
Les moyens servant<B>à</B> limiter la descente de la couche de reconstitution comprennent de préférence un gradin prévu au fond de l'intervalle existant entre les électrodes.
La couche de reconstitution peut être formée de charbon d'électrode cuit<B>à</B> ravance, ou de pâte SZiderberg cuite. Dans ce dernier cas, les guides sont avantageusement doublés de tôle pour faciliter le glis sement de la couche.
On peut prévoir plusieurs gouttières inclinées dans le bloc fixe d'électrode, ces canaux permettant un écoulement limité de métal fondu formé sur la face cathodique, vers la face contre laquelle repose la couche de reconstitution, afin de pénétrer dans l'espace entre la face et la couche. Le métal fondu situé dans cet espace joue le rôle de lubrifiant et facilite le glissement de la couche de reconstitution<B>;</B> il facilite aussi le passage du courant électrique entre le bloc fixe d'électrode et la couche, en réduisant la chute de tension locale.
L'invention a en outre pour objet l'utilisation de la cellule, définie ci-dessus, dans un four pour la pro duction électrolytique d'aluminium<B>à</B> partir de A1.0-.3 dans un bain fluoré, cette utilisation étant caracté risée en ce que la reconstitution anodique a lieu du côté du bain, de haut en bas, en faisant glisser les pièces de reconstitution de façon continue au moyen <B>de</B> la pression exercée de haut en bas, le long d'un plan formant un angle, aigu avec le plan de la face anodique, en ce que lesdites pièces remplacent la matière<B>de</B> la face anodique consommée électrolyti- quement,
et en ce qu'elles maintiennent l'écartement entre les électrodes automatiquement constant<B>à</B> l'aide de moyens absorbant l'excès de ladite pression. Le dessin ci-annexé représente,<B>à</B> titre d'exemple, quelques formes d'exécution<B>de</B> l'objet de la présente invention.
La fig. <B>1</B> est une coupe verticale prise suivant la ligne C-C des fig. 2 et<B>3,</B> montrant plusieurs cellules contiguës d'un four<B>à</B> cellules multiples muni d'élec trodes bipolaires fixes du type décrit par exemple dans les brevets suisses<B>354258</B> et<B>352833</B> mais modi fiées suivant la présente invention.
La fig. 2 est une vue partielle en plan et partielle ment en coupe de deux cellules, suivant la ligne A-A de la fig. <B>1.</B>
La fig. <B>3</B> est une coupe suivant la ligne B-B de la fig. <B>1.</B>
La fig. 4 est une coupe verticale de plusieurs cellu les, contiguës d'une autre variante de four<B>à</B> cellules multiples<B>à</B> électrodes bipolaires suivant la présente invention.
Si l'on considère la fig. <B>1,</B> les cellules individuelles d'un four<B>à</B> cellules multiples, pour l'électrolyse de l'alumine dissoute dans des sels fluorés fondus, com prennent essentiellement deux électrodes bipolaires inclinées<B>9,</B> proches l'une de l'autre et munies de couches anodiques extérieures<B>à</B> auto-reconstitution <B>1,</B> 2,<B>3,</B> 4,<B>5, 6</B> ou<B>27.</B> Les portions permanentes<B>9</B> de ces électrodes sont faites de graphite, les portions reconstituables <B>1,</B> 2,<B>3,</B> 4,<B>5,</B> et<B>6</B> sont faites de char bon d'électrode cuit<B>à</B> l'avance, ou bien de pâte Sôderbe,rg cokéfiée si elles sont d'une seule pièce comme en<B>27.</B>
Les électrodes bipolaires n'ont pas de conducteurs métalliques, et il n'y a aucun dispositif mécanique prévu en dehors du four pour faire varier la distance entre électrodes. 12assemblage de reconstitution ano dique<B>1,</B> 2,<B>3,</B> 4,<B>5, 6</B> ou<B>2,7,</B> qui présente une den sité inférieure<B>à 1,6,</B> est poussé vers le haut par le bain qui a une densité supérieure<B>à</B> 2, contre la por tion émergeant du bain de l'assemblage de reconsti tution anodique, éventuellement aussi contre la por tion permanente de l'électrode.
L'espace compris entre l'assemblage anodique et l'électrode permanente correspondante est lui-même rempli d'un ou plusieurs liquides présents dans la cellule (par exemple bain fondu ou métal fondu), et forme ainsi une mince couche intermédiaire<B>29</B> entre l'anode de charbon<B>à</B> reconstitution et l'anode de charbon permanent. Entre les électrodes deux<B>à</B> deux (rapprochées l'une de l'autre) se trouve l'espace entre électrodes, ou interstice d#électrolyse, 14, destiné au bain fondu, espace qui communique dans le bas avec la chambre inférieure 12 servant<B>à</B> recueillir l'alumi nium fondu<B>11,</B> et qui est munie de trous de souti rage<B>10.</B>
La chambre inférieure et l'espace entre électrodes (sauf les parois d'électrodes actives formées, par les charbons bipolaires) sont revêtus de matière inerte, <B>13, 15,</B> qui est inerte vis-à-vis du bain et du métal, qui est imperméable et aussi électriquement isolante, et résiste<B>à</B> la température du bain.
Des blocs<B>19</B> de cette matière inerte et imperméa ble sont prévus au-dessus des charbons d'électrode, et des canaux<B>17</B> assurent la communication entre les cellules et permettant au bain de circuler (voir flèches<B>18).</B> Une couche thermo-isolante 24 est pré vue sur les blocs<B>19,</B> et elle est revêtue de matière inerte<B>28</B> aux points où elle entre en contact avec le bain (par exemple, de magnésite dense fondue élec triquement et frittée<B>à</B> très haute température, et/ou traitée suivant le brevet No <B>357554</B> ou encore de toute autre matière appropriée se trouvant dans le commerce, par exemple les matières réfractaires en carbure de silicium liées avec du nitrure de silicium).
L'interstice d'électrodes communique dans le haut avec une chambre collectrice<B>de</B> gaz 20 qui s'évase vers le haut et contient du bain dans sa portion infé rieure. Les parois de cette chambre sont formées de matière inerte<B>19, 28.</B> La chambre 20<B>à</B> son tour communique dans le haut avec une chambre supé rieure d'où les gaz sont évacués par des, sorties 21.
La chambre 20 est de préférence séparée de la chambre supérieure par des plaques amovibles (non représentées sur le dessin), faites de matière poreuse qui permet la sortie des gaz d'électrolyse<B>;</B> mais on peut en outre prévoir des passages dégagés dans les plaques.
Les plaques qui forment le plafond des cellules peuvent être faites, par exemple, d'une matière for mée de magnésie -,t/ou d'amiante, donc d'une matière qui a de très bonnes propriétés d'isolement thermi que<B>à</B> des températures, de l'ordre de 10001, <B>C.</B> Elles doivent de préférence être construites et façonnées de façon telle qu'elles maintiennent le coussin de gaz au-dessus du bain<B>à</B> une température suffisamment élevée pour éviter une solidification superficielle du bain.
Uanode reconstituable est faite de matière car bonée qui est attaquable électrolytiquement et qui est en elle-même connue (par exemple du charbon ano dique cuit<B>à</B> l'avance, ou de la pâte Sôderberg coké fiée).
La chambre supérieure est recouverte d'une cou che thermo-isolante 22 dans laquelle on a prévu,<B>à</B> l'endroit de chaque cellule, trois ouvertures dont cha- cune est fermée par un couvercle facile<B>à</B> enlever, <B>23,</B> fait de matière qui a un très bon isolement ther mique (par exemple de porosite ou d'alumine). En enlevant les couvercles, on a accès,<B>à</B> une conduite <B>26</B> en matière réfractaire qui communique avec une cheminée inclinée<B>25</B> qui est formée de matière inerte au moins dans sa portion inférieure en con tact avec le bain.
Les flèches<B>16</B> indiquent schématiquement le tra jet du courant électrique qui, en venant<B>de</B> l'électrode bipolaire permanente et fixe en graphite, traverse la mince couche liquide de contact<B>2.9</B> pour arriver dans l'anode amovible, quitte la face anodique consom mable de celle-ci pour entrer dans l'espace ou inter stice entre électrodes correspondant, (deux cellules en amont de l'interstice désigné par 14 sur la fig. <B>1),</B> rempli de bain fluoré fondu, -et entre dans l'électrode bipolaire adjacente, permanente et fixe en graphite, <B>à</B> travers la face cathodique<B>de</B> celle-ci qui est dirigée vers le haut, et ainsi de suite.
Les flèches<B>18</B> indiquent schématiquement le sens d'écoulement (circulation principale) du bain d'élec trolyse, sens qui est ici indiqué comme étant opposé <B>à</B> celui du courant électrique.
Si l'on considère maintenant la fig. 4, l'anode reconstituable. (qui a une section triangulaire dont le sommet est dirigé vers le bas), présente initialement une plus grande épaisseur, parce que l'inclinaison de la couche liquide de contact entre l'anode perma nente et l'anode reconstituable est renversée. De petits canaux<B>30,</B> indiqués dans les électrodes bipolaires permanentes, détournent une petite proportion de l'aluminium formé<B>à</B> la cathode vers la couche liquide intermédiaire<B>;</B> cela réduit<B>à</B> des valeurs négligeables les chutes<B>de</B> tension ohmiques dues au passage du courant électrique<B>à</B> travers la couche de bain liquide anodique intermédiaire.
Cette modification convient pour faire arriver, d'en haut, une pâte Sôderberg crue, fondue ou solide. Le mode de fonctionnement d'un four suivant la présente invention est<B>de</B> préfé rence le suivant<B>:</B> Le four étant rempli de métal et de bain fondu, on le porte<B>à</B> la température de travail,<B>de 900 à</B> <B><I>10000</I> C,</B> et on le maintient<B>à</B> cette température, par exemple au moyen d'un courant alternatif.
Puis, on dispose l'assemblage anodique reconstituable dans chaque cellule, en introduisant par le haut,<B>à</B> travers les cheminées, les couches anodiques reconstituables <B>1,</B> 2,<B>3,</B> 4,<B>5, 6</B> ou<B>27</B> (donc, en, plusieurs morceaux ou en un seul morceau).
Etant donné que le charbon anodique a une densité d'environ<B>1,5</B> et que le bain a une, densité d'environ 2, la force ascensionnelle donnée par le bain aura pour effet de pousser vers le haut les éléments individuels,<B>1,</B> 2,<B>3,</B> 4,<B>5, 6,</B> ou l'assemblage unique<B>27,</B> de sorte que tout l'assemblage s'appuiera contre la face de l'électrode bipolaire per manente qui est dirigée vers le bas (fig. <B>1).</B> En appuyant par le haut, il est facile de pousser l'ensem ble vers le bas jusqu'à<B>ce</B> que la pointe<B>7</B> arrive en contact avec un gradin<B>8</B> constitué par la couche inerte qui sert de base<B>à</B> l'électrode, bipolaire. Après avoir répété, cette opération pour chaque cellule indi viduelle, on peut mettre l'électrolyse en route.
On remplace le courant alternatif par un courant continu, de sorte que les surfaces actives des électro des bipolaires qui sont dirigées vers le haut jouent le rôle de cathode, et que celles qui sont dirigées vers le bas jouent le rôle d'anode. On fait alors fonction ner le dispositif de circulation de bain, et les dispo sitifs, d'alimentation en alumine (les uns -et les autres n'étant pas représentés sur<B>le</B> dessin).
<B>A</B> mesure que l'électrolyse progresse, l'aluminium formé<B>à</B> la cathode s'écoule vers le bas et est recueilli dans la chambre inférieure, d'où il est évacué àtravers les canaux individuels<B>10.</B>
La distribution de courant dans les électrodes, ainsi que l'attaque électrolytique de la surface ano dique, active, ont lieu avec la même intensité en tous les points, de la surface anodique active de l'assem blage anodique, de sorte que l'assemblage anodique de reconstitution présent initialement,<B>3,</B> 4,<B>5, 6</B> est régulièrement consommé du côté du bain.
Par suite, la pointe<B>7</B> reculerait théoriquement jusqu'à la posi tion<B>7',</B> mais la pousée exercée par le haut est suffi sante pour que tout l'assemblage glisse lentement vers le bas, de façon telle que la pointe<B>7'</B> occupe la position<B>7.</B> Si la pression exercée de haut en bas, telle qu'elle est représentée par la composante active, (parallèle aux parois de la cheminée) du poids de la portion de l'assemblage anodique qui se trouve en dehors du bain, surmonte la force ascensionnelle de la portion de l'assemblage anodique qui est immer gée dans le bain, on obtient un assemblage anodique de reconstitution<B>à</B> ajustement automatique, qui main tient automatiquement constante la distance entre les surfaces anodique actives et les surfaces cathodiques de tout interstice entre électrodes.
Si l'assemblage<B>de</B> reconstitution anodique est formé d'un certain nombre de petits blocs, de char bon anodique cuit<B>à</B> l'avance, il suffira de compen ser la consommation de charbon anodique en ouvrant périodiquement le couvercle et en introduisant un nouveau petit bloc<B>1</B> dans l'ouverture<B>26</B> lorsque le petit bloc qui occupait précédemment la position<B>1</B> a descendu jusqu'à la position 2<B>à</B> cause de la con sommation des électrodes. On peut le faire en utili sant le minimum de main-d'#uvre, sans perturber l'équilibre thermique du four et<B>de</B> la cellule, ni la régularité<B>de</B> l'électrolyse, et sans occasionner des variations des niveaux de liquide.
On peut superposer simplement le nouveau bloc <B>1</B> au bloc 2, ou bien on peut appliquer un liant approprié entre l'un -et l'autre bloc (par exemple de la pâte Sôderberg, du brai de houille), pour rendre l'assemblage anodique plus rigide.
Si, au contraire on utilise l'assemblage anodique d'auto-reconstitution formé d'un seul bloc triangulaire de pâte Sâderberg, on compense la consommation anodique en procédant de façon analogue<B>à</B> ce qui a<B>déjà</B> été dit, mais en utilisant de petits blocs, de pâte Sôderberg au lieu d'anodes cuites<B>à</B> l'avance.<B>Il</B> est possible aussi d'utiliser, pour être introduite dam les guides inclinés, de la pâte Sôderberg fondue, et en pareil cas il est préférable de doubler de plaques métalliques les parois intérieures de la cheminée dans la portion supérieure et en descendant jusqu'à un niveau un peu supérieur<B>à</B> celui du bain.
La présente invention se propose de fournir la solution du problème de l'ajustement automatique de l'espacement entre électrodes et de la reconstitution anodique<B>à</B> ajustement automatique et continu pen dant l'électrolyse avec des anodes consommables# avec une constance parfaite de l'espacement entre les électrodes de la cellule, qui n'est perturbé ni par la consommation anodique progressive, ni par les reconstitutions anodiques successives.<B>Ce</B> résultat est obtenu sans avoir<B>à</B> faire appel<B>à</B> un dispositif d'ajus tement ou de réglage extérieur au four. De plus, la structure anodique permanente, (qui, dans chaque électrode bipolaire intermédiaire, fait corps avec la cathode) est maintenue, fixe et stationnaire.