FR2546184A1 - Cathode rod comprising a metal soleplate for Hall-Héroult electrolysis cells - Google Patents
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- C25C3/16—Electric current supply devices, e.g. bus bars
Abstract
Description
BARRE CATHODIQUE COMPORTANT UNE SEMELLE METALLIQUE, POUR CUVES
D'ELECTROLYSE HALL-HEROULT
L'invention se rapporte à la construction des cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement une barre cathodique comportant une semelle métallique, destinée à augmenter la section de passage et à uniformiser la répartition du courant cathodique.CATHODIC BAR INCLUDING A METALLIC SOLE, FOR CUVES
ELECTROLYSIS HALL-HEROULT
The invention relates to the construction of electrolysis cells for the production of aluminum by the Hall-Héroult process. It relates more particularly to a cathode bar having a metal soleplate, intended to increase the passage section and to standardize the distribution of the cathode current.
La cathode d'une cuve d'électrolyse Hall- Héroult est constituée par la juxtaposition d'un ensemble de blocs carbonés, munis, à leur base ihférieure, d'une (ou parfois deux) rainure(s) ouverte(s) dans lesquelles sont scellées, généralegment par coulée de fonte, des barres d'acier de section carrée, rectangulaire ou circulaire, sur lesquelles sont raccordés les conducteuPs de liaison entre les cuves successives formant une série.The cathode of a Hall-Héroult electrolysis cell is formed by the juxtaposition of a set of carbon blocks, provided at their lower base with one (or sometimes two) open groove (s) in which are sealed, generally by casting of cast iron, steel bars of square section, rectangular or circular, on which are connected the connecting conducteuPs between the successive tanks forming a series.
Les barres d'acier servant à l'extraction du courant cathodique offrent donc une surface de contact limitée avec le carbone, ce qui provoque une chute de tension non négligeable à l'interface carbone/fonte.The steel bars used to extract the cathode current thus offer a limited contact surface with the carbon, which causes a significant drop in voltage at the carbon / cast iron interface.
Pour réduire cette chute de tension, il est également connu d'augmenter la section de la barre acier, au moins dans la zone scellée dans le carbone, tout en gardant une section normale ou rétrécie à la traversée de la partie extérieure du calorifugeage de la cuve, de façon à éviter des fuites thermiques trop importantes.To reduce this voltage drop, it is also known to increase the section of the steel bar, at least in the sealed zone in the carbon, while keeping a normal section or narrowed at the crossing of the outer portion of the thermal insulation of the tank, so as to avoid excessive thermal leakage.
Cependant, une telle action est forcément limitée, car l'épaisseur de carbone des ailes de la rainure doit être suffisante pour résister mécaniquement aux contraintes dues à la dilatation thermique de la barre cathodique, et de son scellement, lors de la mise en régime de la cuve.However, such action is necessarily limited because the carbon thickness of the groove flanges must be sufficient to mechanically withstand the stresses due to the thermal expansion of the cathode bar, and its sealing, during the start of operation. tank.
La présente invention a pour objet d'augmenter de façon substantielle (plus de 10 , o) la section d'acier disponible pour l'évacuation du cou- rant cathodique, et la surface de contact entre le carbone et les conducteurs cathodiques. Elle consiste à munir chaque barre cathodique d'une semelle métallique, en contact électrique avec la base horizontale de chaque bloc carboné, la semelle étant soudée à la barre cathodique pour assurer le passage du courant électrique. It is an object of the present invention to substantially increase (more than 10%) the steel section available for cathodic current removal, and the contact area between the carbon and the cathode conductors. It consists in providing each cathode bar with a metal soleplate, in electrical contact with the horizontal base of each carbon block, the soleplate being welded to the cathode bar to ensure the passage of the electric current.
La figure 1 se rapporte à l'art antérieur.Figure 1 relates to the prior art.
Les figures 2 à 11 illustrent la mise en oeuvre de l'invention.Figures 2 to 11 illustrate the implementation of the invention.
Les figures 1 à 11 sont des représentations en coupe.Figures 1 to 11 are sectional representations.
La figure 1 montre la disposition classique d'un bloc cathodique carboné (1) dans lequel la barre (2A) est scellée par de la fonte (3).Figure 1 shows the conventional arrangement of a carbonaceous cathode block (1) in which the bar (2A) is sealed by cast iron (3).
Dans ce cas, la barre affleure à la base du bloc carboné. Sur la partie droite de la figure 2, la barre (2 B) dans une variante d'exécution, peut dépasser plus ou moins du plan de base du bloc carboné (3). Les blocs cathodiques successifs sont assemblés le plus souvent par un joint (4) en pâte carbonée.In this case, the bar is flush with the base of the carbon block. On the right side of Figure 2, the bar (2 B) in an alternative embodiment, may exceed more or less of the base plane of the carbon block (3). The successive cathode blocks are assembled most often by a seal (4) carbonaceous paste.
La figure 2 illustre un premier mode de mise en oeuvre de l'invention.FIG. 2 illustrates a first mode of implementation of the invention.
Sur la barre cathodique (2), on a soudé deux tôles épaisses en acier doux (5) reliées à la base du bloc carboné (l) par une couche de matériau élastique électriquement conducteur (6).On the cathodic bar (2), two thick mild steel plates (5) connected to the base of the carbon block (1) are welded by a layer of electrically conductive elastic material (6).
En variante (figure 2A), la semelle en acier (5) peut être constituée par un colaminé acier-cuivre, la face cuivrée (5A) étant en contact soit directement avec le bloc carboné (1), soit par l'intermédiaire de la couche conductrice élastique (6). De préférence, l'épaisseur de la couche de cuivre (5A) doit être supérieure à une valeur minimale, que l'on peut estimer à environ 5 S de la couche d'acier, correspondant à la solubilité du cuivre dans l'acier à 900-950ac, de façon que toute la couche de cuivre ne disparaisse pas par diffusion à l'état solide dans l'acier.As a variant (FIG. 2A), the steel soleplate (5) can be constituted by a steel-copper colaminate, the coppered face (5A) being in contact either directly with the carbon block (1) or via the conductive conductive layer (6). Preferably, the thickness of the copper layer (5A) must be greater than a minimum value, which can be estimated at about 5% of the steel layer, corresponding to the solubility of the copper in the steel at 900-950ac, so that the entire copper layer does not disappear by solid state diffusion in the steel.
La malléabilité du cuivre à chaud facilite l'établissement d'un bon contact avec le bloc cathodique et peut, le cas échéant, compenser en partie des déformations de la semelle en acier.The malleability of hot copper facilitates the establishment of a good contact with the cathode block and can, if necessary, partly compensate for deformations of the steel soleplate.
En outre, la conductivité électrique du cuivre étant très supérieure à celle de l'acier, il s'ensuit un abaissement significatif de la chute de tension dans les collecteurs cathodiques. In addition, the electrical conductivity of copper being much greater than that of steel, it follows a significant lowering of the voltage drop in the cathode collectors.
La figure 3 rnontre les quatre stades 3a, 3b, 3c, 3d de la procédure utilisée pour réaliser le montage de la figure 2.FIG. 3 shows the four stages 3a, 3b, 3c, 3d of the procedure used to carry out the assembly of FIG. 2.
La figure 3a montre la première étape :
Le bloc de carbone (1) ayant été retourné pour que la rainure (7) se présente vers le haut, on scelle la barre cathodique (2) par coulée de fonte (3).Figure 3a shows the first step:
The carbon block (1) has been turned over so that the groove (7) is upwards, the cathode rod (2) is sealed by casting (3).
La figure 3b montre la deuxième étape
Après scellement de la barre cathodique (2), on pose sur la face supérieure du bloc retourné une couche élastique (6), conductrice électrique on peut avantageusement utiliser un feutre de carbone ou de graphite, ou encore une feuille de graphite laminé, ou encore un complexe formé par collage d'une bande de feutre. de carbone ou de graphite et d'une bande de graphite laminé.Figure 3b shows the second step
After sealing of the cathode bar (2), an electrically conductive elastic layer (6) is placed on the upper face of the inverted block, it is advantageously possible to use a carbon or graphite felt, or a laminated graphite sheet, or else a complex formed by gluing a strip of felt. of carbon or graphite and a laminated graphite strip.
A titre d'exemple, on peut utiliser des feutres de graphite RVC, ou du "PAPYEX" (R) (marques déposées par la Société "Le Carbone-Lorraine").By way of example, it is possible to use graphite felts RVC, or "PAPYEX" (R) (trademarks registered by the company "Carbone-Lorraine").
La figure 3c montre la troisième étape
On pose sur la couche de liaison élastique (6) la semelle (5) constituée par deux tôles épaisses en acier que l'on applique fortement, par pressage, sur la couche de liaison élastique (6).Figure 3c shows the third step
The sole (5) consisting of two thick steel plates is placed on the elastic bonding layer (6) and strongly pressed onto the elastic bonding layer (6).
On peut alors réaliser des cordons de soudure (8), de préférence continus, pour relier ces tôles épaisses à la barre cathodique : on a ainsi réalisé une semelle d'acier reliée électriquement à la barre cathodique. LXpais- seur de la semelle est au moins égale à 4 mm et, de préférence, au moins égale à 10 mm et généralement de l'ordre de 10 à 15 mm. La section de la barre cathodique peut être, par exemple, de 160 x 120 mm.It is then possible to produce weld beads (8), preferably continuous, to connect these thick plates to the cathode bar: thus, a steel soleplate electrically connected to the cathode bar was made. The thickness of the soleplate is at least 4 mm and preferably at least 10 mm and generally in the range of 10 to 15 mm. The section of the cathode bar may be, for example, 160 x 120 mm.
a figure 3d montre le bloc carboné cathodique remis en position normale par retournement. Figure 3d shows the cathodic carbon block returned to the normal position by inversion.
La figure 4 montre une variante de l'invention ou la semelle d'acier est située à cheval entre deux blocs carbonés cathodiques, et en contact électrique avec ces deux blocs. Figure 4 shows a variant of the invention where the steel sole is located astride between two cathodic carbon blocks, and in electrical contact with these two blocks.
La figure 5 montre qu'au moment de la réalisation du montage, il est préférable de prévoir un léger jeu entre les semelles (5) de deux blocs adjacents (1) et (1') de façon que lorsque la température de fonctionne- ment normal est atteinte, et du fait de la dilatation plus importante de la semelle d'acier comparativement au bloc carboné, les bords des deux semelles adjacentes (5) et (5'), se retrouvent en contact avec une pression juste suffisante pour assurer une soudure à chaud de ces bords entre eux, sans que cette pression ne soit excessive au point d'entrainer une déformation des semelles, préjudiciables au contact électrique entre blocs carbonés et semelles d'acier.FIG. 5 shows that at the time of the assembly, it is preferable to provide a slight clearance between the flanges (5) of two adjacent blocks (1) and (1 ') so that when the operating temperature is reached, and due to the greater expansion of the steel plate compared to the carbon block, the edges of the two adjacent flanges (5) and (5 '), come into contact with a pressure just sufficient to ensure a hot welding of these edges with each other, without this pressure being excessive to the point of causing a deformation of the soles, detrimental to the electrical contact between carbon blocks and steel soles.
Les extrémités en regard des deux semelles adjacentes (5 et 5') peuvent être perpendiculaires a" plan de la semelle -et parallèles entre ellescomme représenté, sur la figure ou taillées en biseau (figures Sa, 5b).The opposite ends of the two adjacent flanges (5 and 5 ') may be perpendicular to the plane of the flange and parallel to each other as shown in the figure or beveled (Figures 5a).
Les flans des biseaux de (5) et (5') peuvent être parallèles entre eux (5A) ou non (5B).The blanks of the bevels of (5) and (5 ') can be parallel to each other (5A) or not (5B).
Pour empêcher la pénétration de produits pulvérulents provenant du lit de pose (11) dans le jeu (9) entre les deux tôles (5) et (5') on peut prévoir l'interposition d'une bande de tôle mince (10) faisant office de joint.To prevent the penetration of powdery products from the laying bed (11) into the clearance (9) between the two sheets (5) and (5 '), the interposition of a thin sheet metal strip (10) can be provided. seal office.
Cette tâle évite également que la pâte carbonée qui remplit le joint (4) ne s'écoule, lors de la première chauffe, dans l'espace (9).This plate also prevents the carbon paste that fills the seal (4) flowing during the first heating in the space (9).
La valeur du jeu (9) nécessaire au montage ou à la pose dépend de la nature exacte du bloc carboné : à base d'anthracite, ou semi-graphite ou semi-graphitisé ou graphite, et de la dimension exacte des blocs et des semelles, ainsi que de la nature et de l'épaisseur du joint entre blocs carbonés : blocscollés entre eux ou séparés par un petit joint (4) de pâte de brasque. Généralement, ce jeu sera défini par un rapport e/L de l'ordre de 1 à 2 . The value of the clearance (9) required for assembly or laying depends on the exact nature of the carbon block: anthracite-based, or semi-graphite or semi-graphitized or graphite, and the exact size of the blocks and soles as well as the nature and the thickness of the joint between carbon blocks: block glued together or separated by a small joint (4) of potato paste. Generally, this game will be defined by a ratio e / L of the order of 1 to 2.
La figure 6 montre le détail de montage des bandes d'étanchéité (10). La bande supérieure (10A) est soudée par exemple sur la tôle (5) et la bande inférieure (lOB) est soudée sur la tôle (5') de telle sorte que, lors de la première chauffe, elles peuvent coulisser librement et prendre leur place définitive. Figure 6 shows the mounting detail of the sealing strips (10). The upper band (10A) is welded for example on the sheet (5) and the lower band (10B) is welded to the sheet (5 ') so that, during the first heating, they can slide freely and take their definitive place.
Par ailleurs, et à condition de prévoir un rainurage adéquat dans les blocs cathodiques (1), on peut placer à la partie inférieure du joint (4) une pièce en graphite à faible porosité (12) qui améliore l'étanchéité du joint (4) et réduit les risques dinfiltration de cryolithe fondue lors du démarrage de la cuve d'électrolyse.Moreover, and provided that adequate grooving is provided in the cathode blocks (1), a low porosity graphite part (12) can be placed at the lower part of the seal (4), which improves the seal of the seal (4). ) and reduces the risks of infiltration of molten cryolite when starting the electrolytic cell.
La figure 7 montre une autre variante de réalisation du joint entre les
semelles (5 et 5') de blocs cathodiques adjacents (1) et (1'). On renonce
à établir une soudure directe entre (5) et (5') et on dispose dans le jeu
(9) un joint souple (14), de préférence conducteur électrique et compres
sible, tel que de la tresse de graphite, ou un tube métallique -à paroi
mince (épaisseur inférieure à la moitié de l'épaisseur de la semelle (5)
ou (5'), reposant librement entre les bandes lOA et lOB. On peut, en
outre, au montage, prévoir. un recouvrement et un collage des feuilles de
matière carbonée élastique (13) qui améliore l'étanchéité du joint, dans
le but précédemment indiqué.FIG. 7 shows another embodiment of the joint between the
flanges (5 and 5 ') of adjacent cathode blocks (1) and (1'). We give up
to establish a direct solder between (5) and (5 ') and one has in the game
(9) a flexible seal (14), preferably electrically conductive and compres
sible, such as graphite braid, or a metal tube
thin (less than half the thickness of the sole (5)
or (5 '), lying freely between the strips 10A and 10B. We can, in
in addition, when mounting, plan. a covering and a collage of the leaves of
resilient carbonaceous material (13) which improves the sealing of the joint, in
the purpose previously indicated.
La figure 8 représente une autre variante, dans laquelle le joint carboné
(14) est remplacé par un tube (15) déformable, soudé préalablement à au
moins une des semelles (5) ou (5'), qui absorbe les effets de dilatation
et que l'on peut remplir d'un matériau pulvérulent inerte pour limiter
l'oxydation interne à chaud.FIG. 8 represents another variant, in which the carbonaceous joint
(14) is replaced by a deformable tube (15), previously welded to the
minus one of the soles (5) or (5 '), which absorbs the effects of dilation
and that can be filled with an inert powder material to limit
internal oxidation when hot.
Bien entendu, de telles liaisons souples ou déformables peuvent être uti
lisées pour la jonction entre les demi-écrans d'un même bloc lorsque
celui-ci comporte un scellement avec des demi-barres d'acier, séparées au centre du bloc-par un espace de dilatation.Of course, such flexible or deformable links can be used
for joining the half-screens of the same block when
it comprises a seal with half-bars of steel, separated at the center of the block by a space of expansion.
Les figures 9 et 10 illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans le
cas des blocs carbonés (1) munis de deux barres cathodiques parallèles
(2C et 2D), disposition que l'on rencontre parfois dans le but d'augmen
ter la surface de contact avec le bloc carboné.Figures 9 and 10 illustrate the implementation of the invention in the
case of carbon blocks (1) provided with two parallel cathode bars
(2C and 2D), a provision sometimes encountered for the purpose of increasing
ter the contact surface with the carbon block.
Sur la figure 9, il apparaît que l'on a procédé au scellement simultané
des deux barres 2c, 2D par coulée de fonte (3,) , l'épaisseur e de la
plaque de fonte entre les deux barres étant, de préférence, inférieure
ou égale à la différence des côtes ho et hl (e < ( h ho). In FIG. 9, it appears that simultaneous sealing has been carried out
of the two bars 2c, 2D by cast iron (3,), the thickness e of the
cast iron plate between the two bars being, preferably, lower
or equal to the difference of the ribs ho and hl (e <(h ho).
La semelle (6) peut être en tôle d'acier simple ou mixte acier-cuivre comme on l'a décrit précédemment.The sole (6) may be of simple steel sheet or mixed steel-copper as described above.
Sur la figure 10, les deux barres cathodiques 2C, 2D ont été scellées individuellement, puis reliées par soudure avec une tôle (21) prddéformée en volte, de façon à obtenir, à chaud, un bon contact électrique avec la partie centrale du bloc carboné par l'intermédiaire de la couche conductrice élastique (6).In FIG. 10, the two cathode bars 2C, 2D have been individually sealed, then soldered to a sheet (21) preformed in a flange so as to obtain a good electrical contact with the central part of the carbon block when hot. via the elastic conductive layer (6).
Dans tous les cas représentés (figures :2 à 10), la semelle métallique est en contact avec la base des blocs carbonés -directement ou-par linter- médiaire du matériau élastique (6)- sur au moins 20 Dó de la surface de cette base.In all the cases shown (FIGS. 2 to 10), the metal base is in contact with the base of the carbonaceous blocks -directly or through the elastic material (6) - over at least 20.degree. based.
La figure 11 montre, de façon très schématique, la coupe transversale partielle d'une cuve d'électrolyse selon l'invention, avec le caisson métallique externe (16) le brasquage latéral (17) en pâte carbonée, le bloc carboné cathodique (1) surmonté par la nappe d'aluminium liquide (18), l'électrolyte (19) et le système anodique (20), la barre cathodique (2) en acier, scellée à la fonte (3), et la semelle (4) en acier, objet de l'invention. On note que la section de la barre cathodique (2) est réduite dans la traversée de la partie externe du garnissage (17) et du caisson (18).FIG. 11 very schematically shows the partial cross-section of an electrolytic cell according to the invention, with the external metal box (16), the lateral carbonaceous paste (17), the carbonaceous carbon block (FIG. ) surmounted by the liquid aluminum sheet (18), the electrolyte (19) and the anode system (20), the cathode rod (2) of steel, sealed to the cast iron (3), and the sole (4) steel, object of the invention. It is noted that the section of the cathode bar (2) is reduced in the crossing of the outer portion of the lining (17) and the box (18).
La mise en oeuvre de l'invention procure de nombreux avantages que l'on peut expliciter de la façon suivante 1 - La semelle métallique sur chaque barre cathodique (une cuve peut en comporter plusieurs dizaines) augmente d'au moins 10 QD et jusqu'd 20 à 50 QD la section de passage du courant cathodique et la surface de contact acier-carbone avec réduction corrélative de la chute de tension au contact acier-carbone.The implementation of the invention provides many advantages that can be explained in the following way 1 - The metal plate on each cathode bar (a tank may comprise several tens) increases by at least 10 QD and up to d 20 to 50 QD cathodic current cross section and steel-carbon contact surface with correlative reduction of the steel-carbon contact voltage drop.
20- La semelle métallique assure une meilleure répartition du courant sur toute la surface de la cathode d'où diminution des courants horizontaux dans l'aluminium liquide qui ont une influence néfaste sur la stabilité et le rendement de la cuve, en raison des effets tourbillonnaires dans la nappe d'aluminium liquide qui en résultent. 20- The metal sole provides a better distribution of the current over the entire surface of the cathode resulting in decreasing horizontal currents in the liquid aluminum which have a detrimental influence on the stability and the efficiency of the tank, due to swirling effects in the liquid aluminum web that result.
30- La semelle métallique assure également une bonne homogénéité de la température de l'ensemble de la cathode, ce qui réduit d'autant les risques d'infiltration dans les zones chaudes et de condensation dans les zones relativement plus froides. 30- The metal sole also ensures good homogeneity of the temperature of the entire cathode, which reduces the risk of infiltration in hot areas and condensation in relatively colder areas.
40- En cas de rupture d'une barre cathodique (par corrosion sous l'effet des infiltrations de cryolithe et d'aluminium liquide) la semelle fonctionne comme collecteur de secours, ce qui retarde d'autant le moment où il faudra arrêter et démonter la cuve pour refaire la cathode. En outre, le déséquilibre électrique de la cuve est limité, ce qui est favorable pour le rendement FARADAY pendant la période séparant la rupture d'une barreet l'arrêt de la cuve. 40- In case of rupture of a cathodic bar (by corrosion under the effect of the infiltrations of cryolite and liquid aluminum) the sole works as an emergency collector, which delays all the moment when it will be necessary to stop and dismantle the tank to redo the cathode. In addition, the electrical unbalance of the tank is limited, which is favorable for FARADAY performance during the period between the breaking of a bar and the stoppage of the tank.
5 - Enfin, et bien que cela ne soit pas sa fonction essentielle, la semelle métallique constitue un premier barrage à l'infiltration et aux imprégnations sodofluorés et cryolithaires en direction de l'espace sous cathodique et du calorifuge sous-jacent. 5 - Finally, and although this is not its essential function, the metal base is a first dam to infiltration and impregnation sodofluorés and cryolithaires in the direction of the sub-cathode space and the underlying insulation.
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- 1984-05-16 ZA ZA843692A patent/ZA843692B/en unknown
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