EP1151150A1 - Cathode graphite pour l'electrolyse de l'aluminium - Google Patents

Cathode graphite pour l'electrolyse de l'aluminium

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EP1151150A1
EP1151150A1 EP00901691A EP00901691A EP1151150A1 EP 1151150 A1 EP1151150 A1 EP 1151150A1 EP 00901691 A EP00901691 A EP 00901691A EP 00901691 A EP00901691 A EP 00901691A EP 1151150 A1 EP1151150 A1 EP 1151150A1
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cathode
end zones
cathodes
graphite
central zone
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Carbone Savoie SAS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes

Definitions

  • the present invention relates to a graphite cathode for the electrolysis of aluminum.
  • an electrolytic cell comprises, in a metal box sheathed with refractories, a cathode sole composed of several juxtaposed cathode blocks.
  • This assembly constitutes the crucible which, sealed by pot lining, is the seat of the transformation, under the action of the electric current, of the aluminum electrolytic bath. This reaction takes place at a temperature generally above 950 ° C.
  • the cathode block is made from carbonaceous material. These materials range from semi-graphite to graphite. They are shaped by extrusion or by vibro-massage after mixing the raw materials:
  • the graphitization treatment of the graphite cathode allows the increase of the electrical and thermal conductivities, thus creating sufficient conditions for optimized operation of an electrolysis tank. Energy consumption decreases due to the decrease in the electrical resistance of the cathode. Another way to take advantage of this drop in electrical resistance is to increase the intensity of the current injected into the tank, thereby allowing an increase in aluminum production. The high value of the thermal conductivity of the cathode then allows the evacuation of the excess heat generated by the increase in intensity. In addition, graphite cathode tanks appear less electrically unstable, that is to say with less fluctuation in electrical potentials, than carbon cathode tanks.
  • the single figure of the appended schematic drawing shows a cathode block 3, with the cathode bars for supplying current 2, the initial profile of which is designated by the reference 4.
  • Document FR 2 1 17 960 describes a cathode for the preparation of aluminum by electrolysis.
  • This cathode is made from several blocks of semi-graphitic carbon, with different resistivities from each other.
  • This complex structure due to the juxtaposition of blocks with the electrical discontinuity which it causes, is justified not by a reduction in erosion, since cathodes of this type are not sensitive to erosion, but by a reduction swelling of the sole in the central area.
  • the speed of erosion of a graphite cathode block is, therefore, its weak point, and its economic appeal in terms of production gain may disappear if the service life cannot be increased.
  • the object of the invention is to provide a graphite cathode whose lifetime is increased by limiting the erosion which occurs at the ends. 5
  • the graphite cathode in one piece and its electrical resistivity is heterogeneous along its longitudinal axis, this resistivity being higher in the end regions of the cathode than in the region central of it.
  • the average resistivity of the product will remain compatible with an optimized operation of 0 the electrolysis cell.
  • the higher resistivity in the end zones of the cathode channels the current lines towards the center of the tank.
  • the high current densities usually recorded towards the output of the cathode bars are attenuated, thus inhibiting the erosion mechanism. in these areas.
  • the life of the tank is therefore increased.
  • the end zones of the cathode can be considered to be located between approximately 0 and 800 mm from each end.
  • the end zones of the cathode are brought to a temperature of the order of 2,200-2,500 ° C., while the central zone is brought to a temperature of from 2,700 to 3,000 ° C.
  • the difference in heat treatment in the end zones and in the central zone of the cathode is obtained by limiting the thermal insulation of the graphitization furnace and / or by having thermal drains in the zones of end of the cathodes, to increase the heat losses.
  • the difference in heat treatment in the end zones and in the central zone of the cathode is obtained by creating, during the graphitization operation, local modifications of the current lines and, consequently , the resulting Joule effect.
  • the difference in heat treatment between the end zones and the central zone is obtained by modulating the resistivity of the grain resistor between two cathodes and / or by having thermal drains, in the end zones.
  • Figure 1 is a view of a cathode, with more specific indication of the erosion thereof after a certain time of operation;
  • Figures 2 to 4 are three views, respectively, from above, from the front and from the side of an Acheson type graphitization oven;
  • FIGS. 2 to 4 show a furnace 6 of the Acheson type, in which a certain number of cathodes 3 are arranged parallel to one another, in several rows, with interposition between the different cathodes of a resistor grain 7.
  • This resistor grain can consist, for example, of carbon or coke granules.
  • the assembly is placed inside a heat-insulating grain 8. Electrical energy is injected inside the oven, to carry out the graphitization operation, heating resulting from the Joule effect. In an oven of this type, the current lines are perpendicular to the axis of the cathodes 3.
  • the resistivity of the resistor grain is higher in the zones 9 corresponding to the cathode end zones 3, as that of this grain resistor in zone 10 corresponding to the central part of the cathodes. It is also possible to reduce the thickness of the heat-insulating grain 8 in the end zones of the cathodes, to favor the phenomenon of limitation of the graphitization temperature in these end zones by heat loss.
  • FIG. 5 represents a longitudinal furnace 1 1 in which several cathodes 3 are placed end to end, with interposition between two cathodes adjacent to a graphitization joint 1 2.
  • the graphitization joints are as little resistive as possible to avoid undesirable heating at the junction between the cathodes.
  • thermal losses materialized by arrows are created in the end zones of the cathodes, by providing for a smaller thickness of insulation 8, and / or the presence of thermal drains which may be made of graphite and positioned perpendicular to the cathodes, next to the areas to be cooled.
  • the invention brings a great improvement to the existing technique by providing a cathode of traditional structure, and obtained by known means, having a higher resistivity in its end zones than in its central zone , thus making it possible to decrease the current density in the cathode at its ends, and to increase the resistance to erosion in these end zones.

Description

CATHODE 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 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 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 graphite.
Il 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 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 permet alors l'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 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 la barre cathodique par l'aluminium. Le métal atteint la 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. 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 matériaux :
Cathode vitesse d'usure (mm/an)
Carbone, semi-graphitique 10-20
Carbone, graphitique 20-40 graphite 40-80
La figure unique 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 pointillés, montré que cette érosion est accentuée aux extrémités du bloc cathodique.
Le document FR 2 1 17 960 décrit une cathode pour la préparation d'aluminium par électrolyse. Cette cathode est réalisée à partir de plusieurs 5 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 ι o 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
15 celles-ci sont plus élevées du côté de la sortie des barres cathodiques. 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 les fortes usures observées aux extrémités des cathodes correspondent aux zones de fortes densités de courant dans la cathode. 0 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 par limitation de l'érosion qui se produit aux extrémités. 5 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 la cathode que dans la zone centrale de celle-ci. La résistivité moyenne du produit restera compatible avec un fonctionnement optimisé de 0 la cuve d'électrolyse. La plus forte résistivité dans les zones d'extrémité de la cathode canalise les lignes de courant vers le centre de la cuve. De ce fait, les fortes densités de courant habituellement enregistrées vers la sortie des barres cathodiques sont atténuées, inhibant ainsi le mécanisme d'érosion 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 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 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.
Il est possible d'associer ces deux phénomènes lors d'une même opération de graphitisation.
Conformément à un mode de réalisation de la cathode selon 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 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, 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. 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, 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 dés cathodes. Il 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 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 1 2. 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. 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, 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

REVENDICATIONS
1 . Cathode graphite pour électrolyse de l'aluminium, 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 (3) que dans la zone centrale de celle-ci.
2. Cathode graphite selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la différence de résistivité dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode (3) est 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.
3. Cathode graphite selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'au cours de l'opération de graphitisation, les zones d'extrémité de la cathode (3) 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.
4. Cathode graphite selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode (3) est obtenue en limitant le calorifugeage (8) du four de graphitisation (1 1 ) et/ou en disposant des drains thermiques en regard des zones d'extrémité des cathodes, pour augmenter les déperditions thermiques.
5. Cathode graphite selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la différence de traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode (3) 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.
6. Cathode graphite selon la revendication 5, caractérisée en ce que, dans le cas où l'opération de graphitisation est réalisée simultanément pour plusieurs cathodes (3) disposées parallèlement les unes aux autres à l'intérieur d'un four (6), par exemple de type Acheson, dans lequel les cathodes (3) sont séparées les unes des autres par un garnissage de grain résistor (7), par exemple des granulés de carbone ou de coke, la différence de traitement thermique entre les zones d'extrémité et la zone centrale de la cathode (3) 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.
EP00901691A 1999-02-02 2000-02-01 Cathode graphite pour l'electrolyse de l'aluminium Expired - Lifetime EP1151150B1 (fr)

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