Cuve électrolytique pour la production d'aluminium La présente invention @a pour objet une cuve électrolytique pour la production d'aluminium. Cette cuve comprend notamment un corps conducteur en métal dur réfractaire.
L'expression métal dur réfractaire employée ci-après s'applique à d es matériaux qui possèdent une faible résistivité électrique, une faible solubilité dans l'aluminium en fusion et dans l'électrolyte en fusion dans les conditions de fonctionnement de la cuve, qui peuvent être mouillés par l'aluminium en fusion dans les conditions de fonctionnement de la cuve, et qui possèdent une bonne stabilité dans les conditions qui existent à la cathode d'une cuve de réduction.
Le corps conducteur peut se composer essentielle- ment d'au moins l'un des matériaux suivants : car bures et borures de titane, -de zirconium, de tantale et de niobium et des mélanges de ceux-ci.
On a constaté que ces matériaux présentent tous, ou sensiblement tous, les propriétés qui viennent d'être mentionnées.
L'expression se compose essentiellement signifie que le métal dur réfractaire dont il s'agit ne contient pas d'autres substances en quantités suffi santes pour affecter matériellement les caractéris tiques recherchées dans ce métal, bien que d'autres substances puissent être présentes en faibles quantités qui n'affectent pas matériellement ces caractéris tiques, par exemple de petites proportions d'oxy gène, d'azote,
de nitrure de titane et de far.
La titulaire a déjà proposé l'emploi d'éléments conducteurs de courant en métal dur réfractaire pour les cathodes dans des cuves de réduction de l'alu minium dans lesquelles 1. Les éléments durs réfractaires se prolongent ho rizontalement à travers les parois latérales verti cales @de la cuve @de réduction et, à leurs extré- mités intérieures, pénètrent dans la couche d'alu- minium en fusion.
2. Les éléments -en métal dur réfractaire sont ins tallés le long -des côtés de la cavité ou chambre .de la cuve et pénètrent darne cette cuve à travers le haut ,de la croûte solidifiée d'aluminium et d'électrolyte en fusion et se terminent à leurs extrémités à une faible distance au-dessus de la base de la cuve.
3. Les éléments en métal dur réfractaire conduc teurs de courant sont installés verticalement et introduits dans la couche de métal en fusion à travers la base -de la cuve électrolytique.
Ces diverses dispositions pour las éléments du métal dur réfractaire conducteurs du courant catho dique présentent des perfectionnements importants par rapport aux électrodes déjà connues en carbone mais néanmoins présentant certains inconvénients pendant lie fonctionnement .<B>de</B> la cuve.
La brisure de ces éléments par une manipulation sans ménage ment, pendant le ratissage, par les efforts qui sont imposés par la croûte adhérente pendant le réglage de l'anode ou par la déformation de la structure de la cuve qui supporte ces éléments, constitue un pro blème très grave que l'on rencontre avec ces.éléments en métal dur réfractaire.
La constitution de la cuve devrait être telle que ces éléments en métal dur ré fractaire soient soumis à des efforts mécaniques mi nimums résultant de déformation dans la structure du revêtement intérieur de la cuve et dans le fonc tionnement de celle-ci. De plus, ces éléments qui doivent être soumis .aux .dégradations résultant de la manipulation et aux :
efforts imposés importants que l'on rencontre au cours du fonctionnement des cuves électrolytiques sont relativement .difficiles à fabriquer.
Un autre problème que l'on rencontre dans l'uti lisation des éléments en métal dur réfractaire in- dquée plus haut est la nécessité de maintenir les éléments cathodiques et la couche @du métal .de ca thode en contact direct les uns .avec ,l'autre. Si la production de chaleur dans une section particulière de la cavité de la cuve est abaissée au-,
dessous de la normale, un rebord ou une arête d'électrolyte congelé peut se former sur les parois et sur le fond de la cavité autour de cette section, et ce rebord peut envelopper et recouvrir tous les éléments qui sont voisins, interrompant ainsi le contact entre les élé ments et la couche de métal en fusion. Pour em pêcher cette interruption :de contact, il est nécessaire d'empêcher les boues de l'anode (un mélange peu consistant d'alumine non :
dissoute et d'électrolyte so lidifié qui s'infiltre dans la couche du métal de ca thode) de s'élever sous la couche du métal de ca thode en brisant la surface de celle-ci et agissant sur l'écoulement de courant nécessaire. Cette for mation de boues est empêchée en ratissant pério diquement et en dispersant les boues dès qu'elles se forment.
Les cuves qui comprennent des éléments horizontaux .passant à travers une paroi latérale ne sont pas satisfaisantes par suite de la présence de ces boues d'anode sous la couche du métal de ca thode et de la formation excessive, de bordures so lidifiées du bain qui entourent les éléments. de ca thode.
De plus des pièces de ce matériau en métal dur réfractaire relativement longues sont nécessaires dans les trois dispositions indiquées plus, haut (péné tration horizontale -et latérale, pénétration par le haut et pénétration par le bas)
en raison de l'épais seur du milieu isolant de la .cuve sur les côtés et sur le fond qui est nécessaire dans les fours de réduction du modèle courant pour contenir le bain de cryolithe et d'aluminium en fusion que ,doivent traverser les éléments. Dans les cuves dans,
lesquelles les élé ments cathodiques pénètrent par le haut le long des parois latérales de la cuve, ces éléments auront une action sur le fonctionnement normal de la cuve en particulier en ce qu'ils peuvent briser la croûte sur les côtés de la cavité.
De plus l'introduction des barres à travers cette croûte entraîna de nouveaux risques de brisure des éléments cathodiques en mé tal dur réfractaire qui nécessiterait le remplacement de ces éléments cathodiques. Dans les cuves.
dans lesquelles les éléments .cathodiques pénètrent par le fond, les éléments sont très exposés à être endom magés par le ratis age. A l'inconvénient constitué par les longueurs nécessaires des éléments pour traverser le revêtement et l'isolation de la cuve,
on .doit ajouter que la fabrication d'éléments en métal dur réfrac taire ayant les longueurs nécessaires pour les p6né- trations par lie haut, horizontalement par le côté, et par le fond, est .relativement :difficile et extrêmement coûteuse.
Etant donné que ces métaux durs réfractaires sont foncièrement :coûteux, l'un d .es problèmes prin cipaux dans la réalisation d'une cuve comprenant des éléments conducteurs de courant en métal dur réfrac taire est d'employer la plus faible quantité possible de .ce matériau tout en tirant le maximum d'avan tages dans l'utilisation de ce matériau pour les élé ments de cathode.
En outre, là-fragilité inhérente à ces. éléments en métal ,dur réfractaire pose un pro blème dans lia construction de la cuve. Celle-ci de vrait être telle que .les. éléments en métal dur réfrac taire soient soumis à des efforts mécaniques mini mums.
La sensibilité du métal dur réfractaire à l'oxy dation et à la corrosion pair l'électrolyte constitue une condition nouvelle dans l'élaboration de la cuve, puisqu'il est nécessaire de réduire au minimum l'oxydation des éléments. Ces éléments conducteurs de courant .en métal dur réfractaire ne devraient pas non plues :se trouver dans l'espace dans lequel des dégradations mécaniques doivent forcément les frapper.
C'est d'un des buts de l'invention de fournir une cuve é',ectro'_ytiq:ue pour la production de l'aluminium dans laquelle les inconvénients qui viennent d'être mentionnés sont notablement réduits.
La cuve faisant l'objet de la présente invention est caractérisée en ce qu'elle comprend unie chambre de réduction, une chambre réceptrice du courant ca thodique, -et une cloison séparant ces deux chambres et faite d'un matériau réfractaire non conducteur de l'électricité et d'au moins un corps conducteur en métal dur réfractaire réunissant électriquement la ahambre #récep#trice ,
du courant cathodique à la cham bre de réduction.
Le dessin annexé représente, à titre .d'exemple, une forme d'exécution de la cuve objet de l'invention et une variante 1a fig. 1 est une coupe partielle longitudinale de cette forme d'exécution, la fig. 2 est une vue en élévation frontale d'une paroi représentée à da fig. 1, la fig. 3 est une vue en plan correspondant à la fig. 1,
et la fig. 4 est une vue partielle en plan de la va riante, semblable à .la fig. 3.
Dans la forme d'exécution représentée aux fig. 1 à 3, la cuve de réduction électrolytique 10 comprend une cnv & oppe métallique 11, faite par exemple d'acier, à l'intérieur de laquelle est installé un re vêtement isolant 12 en un matériau isolant tel que l'alumine, 1a bauxite,
l'argile ou des boriques de silicate d'aluminium. A l'intérieur de ce revêtement isolant 12 est installé un revêtement de cuve réfrac taire 13 qui peut être par .exemple en carbone, alu mine fondue, carbure .de silicium, nitrure de silicium, carbure de silicium lié, etc.
Le plus souvent ce re vêtement est fait ,d'un certain nombre de blocs de carbone, d'un mélange de carbone pilonné ou bien d'une combinaison d'un mélange de carbone pilonné pour le fond ou sol du revêtement, avec ,des parois latérales et terminales construites avec .des blocs de carbone. Suivant une variante, les parois latérales et terminales peuvent être faites avec des briques de carbure de silicium. Ce revêtement 13 définit une chambre dans laquelle se trouve unie couche d'alu- minium en fusion 14.
Dans cette chambre se trouve également, en contact avec la couche d'aluminium en fusion 14, une couche d'électrolyte en fusion 15, par exempL_,e,de cryolithe. Cette couche,d'électrolyte en fusion 15 est recouverte par une croûte solide 16 qui se compose essentiellement des constituants de l'électrolyte solidifié avec addition d'alumine.
Etant donné que l'alumine est -absorbée par l'électrolyte 15, la croûte :solidifiée est brisée et une nouvelle quantité d'alumine pénètre-dans l'électro lyte. Des anodes 17 faites -de carbone préalablement durci par la chaleur sont installées au moins en par tie dans la chambre et en partie immergées dans l'électrolyte 15.
Il est possible d'utiliser aussi des anodes en carbone se ,durcissant automatiquement telles qu'elles sont connues dans la pratique. Chaque anode 17 est réunie par un dispositif non représenté au pô'_e positif d'une source de courant d'électrolyse.
Un bord 20 qui est un prolongement de la croûte 16 est constitué par les, éléments congelés d e l'électro lyte et fournit à une paroi en matière réfractaire 21, qui peut être faite avec n'importe quelle brique ré fractaire, une protection contre une attaque par l'alu minium en fusion et l'électrolyte en fusion. Cette pa roi 21 traverse la cuve entre deux bords latéraux opposés de celle-ci et se trouve à distance d'un autre bord latéral 30 de la cuve pour diviser celle-ci en une c'n.ambré réceptrice de courant 24 et une Cham bre de réduction 25.
La paroi .de séparation 21 comprend un certain nombre de briques 22 faites d'un métal dur réfrac taire. De l'aluminium au un, .alliage en fusion 31 rem plit au moins partiellement la chambre réceptrice 24 et un certain nombre de conducteurs de courant 32 faits d'un métal ,dur réfractaire sont, .au .moins par tiellement, immergés dans cet aluminium en fusion. Ces .conducteurs 32 sont munis d'un capuchon en métal 33,
par exemple en aluminium, qui sert à ré unir le conducteur à un dispositif d'assemblage flexible 34 (constitué par exemple par plusieurs feuil les d'aluminium) formant ainsi des conducteurs 40 qui sont électriquement réunis à une barre omnibus de cathode- 35.
On voit que les anodes 17 sont élec- triquement reliées à la barre omnibus de cathode 35 à travers l'électrolyte 15, le bain de métal 14, les briques en métal dur réfractaire 22 disposées dans la paroi de séparation 21, le bain récepteur de cou rant 31, les conducteurs 32, le capuchon 33, et le dispositif d'.assemb':age soup!e 34.
En conséquence. le métal dans la chambre 24 et le métal en fusion dans la diambre de réduction 25 sont électriquement réunis sans être physiquement -en contact. Les bri ques en métal dur réfractaire 22 peuvent être dis posées à volonté. La densité du courant dans ces br-ques 22 et le nombre de ces briques peuvent être réglés pour garantir la répartition de la chaleur op timum et pour localiser la production de tem pérature.
Dans la variante illustrée à la fig. 4, la paroi réfractaire 45 est en forme de coquille ayant trois côtés et forme avec une partie d'une paroi latérale de la cuve 10 la chambre réceptrice de courant 24 qui est séparée de la chambre de réduction 25.
Les cuves construites ainsi qu'on vient de le dé crire présentent de nombreux .avantages.. En instal lant ales corps en métal dur réfractaire dans la paroi de séparation, on évite l'emploi d'éléments faisant saillie dans la chambre de réduction.
La formation de ,dépôt de boues ou d'arêtes sous la couche d'alu minium en fusion est très sensiblement réduite atten du que .tous les côtés @de la cuve sont entièrement libérés d'éléments en métal dur réfractaire -en saillie et permettant en conséquence un ratissage efficace. Dans, la forme d'exécution de la fig. 1,
l'alumine peut être introduite dans les cuves de la manière courante en brisant la croûte en un point quelconque dans la cuve et l'on a alors cet .avantage qu'il n'y a aucun danger de briser des éléments -en métal dur réfractaire qui ferait saillie. L'.emploi d'une chambre réceptrice de courant,
séparée de la chambre de ré duction principale par une paroi, sert également à réduire l'oxydation et la corrosion des éléments en métal dur réfractaire par l'action de sels fondus.
Le métal du refroidisseur dans la chambre 24, séparé du bain ,d'électrolyte, fournit un .excellent conducteur permettant de conduire le courant à la barre omnibus de .catihode. S'il se produit une rupture d'un conduc teur de courant en métal dur réfractaire 32,
ce con- ducteur peut être vite et facilement remplacé sans aucun problème dépendant de la croûte. L'entretien général de la cuve peut ainsi être effectué très facilement.
Les éléments en métal dur réfractaire utilisés dans la cuve décrite sont .des corps relativement courts si on ,les compare aux éléments nécessaires dans les réalisations connues et sont plus facilement fabriqués par une compression à chaud ou par un formage à froid suivi & une agglomération. Si on le désire, après .la fabrication initiale,
ces corps peuvent subir un traitement additionnel par la chaleur des tiné à diminuer les tensions intérieures, par exemple une nouvelle opération d'agglomération par frittage dans le mémé four.<B>Il</B> est donc évident que la cuve décrite permet l'emploi d'éléments en métal dur réfractaire qui peuvent être produits par des tech niques de fabrication qui présentent de nombreux avantages économiques et qui
fournissent des formes très robustes.
,Bien que dans la forme d'exécution décrite ci dessus et illustrée dans la fig. 1 on ait mentionné une- seule chambre réceptrice de courant et une seule paroi en matière réfractaire,
on doit comprendre qu'une cuve électrolytique pourrait comprendre un certain nombre de chambres réceptrices de courant et de parois de séparation en matière réfractaire suivant les dimensions et la capacité de production désirée pour la cuve.
Enfin la paroi en matière réfractaire peut avoir diverses formes, par exemple celle d'un tube ou d'un cylindre permettant d'isoler la chambre réceptrice du courant de cathode 24 de la chambre de réduc tion électrolytique 25 et formant ainsi un puits pour recevoir le courant qui contient de l'aluminium en fusion, ce qui facilite la formation du circuit élec trique à partir de l'anode et à travers les corps conducteurs de courant en métal dur réfractaire situés dans la paroi en matière réfractaire, ainsi que cela est décrit plus haut.
La cuve décrite permet l'emploi de corps con ducteurs en métal dur réfractaire de longueur réduite dans la cloison .réfractaire. En outre, des cathodes en métal dur réfractaire peuvent pénétrer dans l'alu minium en fusion qui se trouve dans la chambre réceptrice du courant tout en étant maintenues hors de la partie de la cuve électrolytique où elles se raient exposées à des températures relativement élevées. Des connexions à ces cathodes peuvent être faites en aluminium ou en un autre métal,
sous forme- de capuchons- et de barres omnibus montés dans des régions à température moins élevée où les conditions sont moins sévères, ce qui diminue les chances .de mauvais fonctionnement ou d'arrêt de la cuve.
Le métal dans la chambre réceptrice de courant peut être maintenu à une température qui est très inférieure à la température de la cuve; par exemple de 660 à 950,) C, réduisant en outre ainsi la vite-se avec laquelle 1e3 corps en métal dur ré fractaire peuvent être attaqués par la corrosion.
Les corps en métal dur réfractaire, par exemple sous la forme de briques incorporées dans la cloison en matière réfractaire, sont extrêmement rugueux et beaucoup moins sujets, en raison de leur forme plus compacte, à être détériorés par une action thermique ou mécanique.
Le problème de la formation -des boues d'anode et de 'a bordure de la croûte est facilement éliminé dans les cuves décrites en raison :de l'accès facile de toutes lies surfaces des briques en métal dur ré fractaire pour les outils mécaniques. Ces boues et ces bordures peuvent être enlevées mécaniquement avec des barres, des râteaux ou des outils construits spécialement sans aucun risque d'endommager les corps en métal dur réfractaire.
De plus, les briques en métal dur réfractaire peuvent être incorporées dans la-cloison de la façon qui permettra le mieux de localiser la production de température. Le métal plus froid dans la chambre réceptrice de courant est in dépendant du bain d'électrolyte et fournit une excel lente électrode de captage par laquelle le courant peut être transmis à la barre omnibus de cathode.