FR2921074A1 - Anode rainuree de cuve d'electrolyse - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un bloc anodique en carbone pour utilisation dans une cellule d'électrolyse de métal de hauteur H entre une face supérieure (24) et une face inférieure (23) et comprenant sur la face inférieure (23) au moins une rainure (20a) de profondeur p(x) et de longueur Lr, la rainure s'étendant selon une direction x et ladite profondeur p(x) étant variable le long de ladite direction x, caractérisé en ce que ladite profondeur p(x) varie de façon non-linéaire le long de ladite direction x et en ce que ladite profondeur p(x) est inférieure à une première valeur Z1sur au moins 60% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à une deuxième valeur Z2au moins égale à Z1+ 10% de la hauteur H sur 3 à 40% de la longueur Lr de la rainure.

Description

ANODE RAINUREE DE CUVE D'ELECTROLYSE Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé de Hall-Héroult et plus particulièrement les anodes comportant un bloc anodique en carbone rainuré utilisées dans les usines de production d'aluminium.

10 Etat de la technique

L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse d'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyse, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyse est 15 contenu dans des cuves comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et d'éléments cathodiques situés au fond de la cuve. Des blocs anodiques en matériau carboné sont partiellement immergés dans le bain d'électrolyse. Chaque cuve et les anodes correspondantes forment ce qui est souvent appelé une cellule d'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le 20 bain d'électrolyse et possiblement une nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule..

25 La demande de brevet français FR 2 806 742 (correspondant au brevet américain US 6 409 894) décrit des installations d'une usine d'électrolyse destinée à la production d'aluminium.

Selon la technologie la plus répandue, les cellules d'électrolyse comportent une 30 pluralité d'anodes dites "précuites" en matériau carboné qui sont consommées lors des réactions de réduction électrolytique de l'aluminium.5 Des gaz, et plus particulièrement du dioxyde de carbone, sont générés lors des réactions d'électrolyse et viennent naturellement s'accumuler sous la forme de bulles de gaz sous la face inférieure, généralement sensiblement plate et horizontale, de l'anode, ce qui influe sur la stabilité globale de la cuve.

Il résulte en effet de l'accumulation de ces bulles de gaz : - des variations et instabilités électriques, - une fréquence élevée et une durée importante des effets d'anode, - une possibilité accrue de réaction inverse et donc une perte de rendement du fait de la faible distance entre la couche d'aluminium produite et les bulles de CO2, - une consommation accrue de carbone et la formation de gaz nocifs du fait de la transformation du CO2 en CO au contact du carbone.

Il est connu d'utiliser des anodes avec des blocs anodiques carbonés comportant une ou plusieurs rainures clans la partie inférieure de manière à faciliter l'évacuation des bulles de gaz et empêcher leur accumulation afin de résoudre les problèmes cités ci-dessus et réduire la consommation d'énergie comme montré dans Light Metals 2005 Energy saving in Hindalco's Aluminium Smelter , S.C. Tandon & R.N. Prasad. Les rainures permettent de diminuer le libre parcours moyen des bulles de gaz sous l'anode pour sortir de l'espace entre les électrodes et donc de réduire la taille des bulles qui se forment sous l'anode. L'intérêt de l'utilisation de rainures a déjà été étudié et prouvé, par exemple dans Light metals 2007 p.305-310 The impact of slots on reduction cell individual anode current variation , Geoff Bearne, Dereck Gadd, Simon Lix ou Light metals 2007 p.299-304 Development and deployment of slotted anode technology at Alcoa , Xiangwen Wang et al. . Il est également connu des documents suivants: - WO 2006/137739 d'utiliser des rainures plus fines (de l'ordre de 2 à 8 mm) que celles communément utilisées (de l'ordre de 8 à 20 mm) de manière à optimiser la 30 masse carbonée utile et la surface d'échange; - US 7 179 353 d'utiliser une anode comportant des rainures débouchant sur un unique coté ou face latérale du bloc anodique, et plus particulièrement vers le centre de la cellule d'électrolyse de manière à améliorer la dissolution de l'alumine ; - WO 2006/137739, US 7 179 353 et de Light Metals 2007 p.283-285 Slot cutting in anodes de Jean-Jacques Grunspan, d'incliner le fond des rainures d'un angle allant jusqu'à 10° afin d'accélérer l'évacuation des gaz piégés dans les rainures et de maîtriser l'orientation des flux de gaz.

Une limite bien connue à l'utilisation de ces rainures résulte du fait que la profondeur des rainures est limitée afin de ne pas perturber l'intégrité mécanique et physique des blocs anodiques carbonés. Or les blocs anodiques carbonés sont consommés progressivement au cours de la réaction d'électrolyse sur une hauteur supérieure à la profondeur des rainures de sorte que la durée d'existence des rainures d'une anode est inférieure à la durée de vie de l'anode. Par conséquent, pendant un certain laps de temps au cours de la durée de vie des anodes, la partie inférieure des blocs anodiques ne comporte plus de rainure. Les problèmes mentionnés ci-dessus pour des anodes sans rainures se font alors ressentir.

En effet, comme mentionné dans Light metals 2007 p.299-304 Development and deployement of slotted anode technology at Alcoa , la profondeur des rainures est limitée pour des raisons d'intégrité principalement dans le cas de rainures formées par moulage sur des blocs anodiques crus de sorte que les effets bénéfiques résultant de la présence des rainures sont observables uniquement sur une partie de la durée de vie des anodes. Les rainures créent des faiblesses dans les blocs anodiques crus qui se fendent alors lors de leur transport, de leur stockage ou de leur cuisson.

Il s'avère en pratique également impossible d'obtenir de manière fiable par sciage de blocs anodiques cuits des anodes avec des rainures aussi profondes que la hauteur de bloc anodique destinée à être consommée. Les contraintes mécaniques et les vibrations exercées par les lames de sciage provoquent l'effritement, le fendillement puis l'éclatement des blocs de carbones. 5 Les dimensions des blocs anodiques des anodes communément utilisées sont de l'ordre de 1200 à 1700 mm pour la longueur, 500 à 1000 mm pour la largeur et 550 à 700 mm de hauteur, avec une à trois rainures de profondeur généralement comprise entre 150 et 350 mm. Aussi pour un bloc anodique de 600 mm de hauteur avec une hauteur de carbone consommable de 400 mm et une rainure de 250 mm de profondeur, la rainure produit un effet bénéfique pendant seulement 62.5% de la durée de vie de l'anode.

10 Un but de l'invention est de proposer des anodes permettant de remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus, c'est-à-dire de proposer des anodes produisant un effet bénéfique pendant une durée plus importante sans toutefois compromettre l'intégrité des blocs anodiques pendant leur fabrication, leur stockage, leur transport ou leur utilisation. 1.5 Description de l'invention

A cet effet, l'invention a pour objet un bloc anodique en carbone pour utilisation dans une cellule d'électrolyse de métal de hauteur H entre une face supérieure et une 20 face inférieure et comprenant sur la face inférieure au moins une rainure de profondeur p(x) et de longueur Lr, la rainure s'étendant selon une direction x et ladite profondeur p(x) variant le long de ladite direction x, caractérisé en ce que ladite profondeur p(x) varie de façon non linéaire le long de ladite direction x et en ce que ladite profondeur p(x) est inférieure à une première valeur Zi sur au moins 60% de la 25 longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à une deuxième valeur Z2 au moins égale à Z1 + 10% de la hauteur H sur 3 à 40% de la longueur Lr de la rainure. De préférence, ladite profondeur p(x) est inférieure à ladite première valeur Zc sur au moins 70% de la longueur Lr de ladite rainure et ladite deuxième valeur Z2 est au moins égale à Z1 + 15% de la hauteur H sur 3 à 30% de la longueur Lr de la rainure 30 et de préférence encore sur 5 à 20% de la longueur de la rainure.

La face supérieure comporte au moins un évidement de fixation et la face inférieure est destinée à être immergée dans un bain d'électrolyse.

La forme particulière et innovante de la rainure selon l'invention lui confère une durée de vie accrue tout en maintenant une intégrité structurelle élevée du bloc anodique. Une fois le niveau Zl de carbone consommé atteint, au moins une portion de rainure subsiste pour évacuer les gaz qui s'accumulent sous la face inférieure du bloc anodique. La portion de rainure subsistante, bien que de longueur réduite, permet de limiter les problèmes liés à l'accumulation des gaz sous l'anode.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la rainure comporte une portion centrale, avec un fond plat ou légèrement incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, entourée de chaque côté par une portion d'extrémité, à fond fortement incliné de 20 à 80° par rapport à l'horizontale en s'étendant en direction de la face supérieure du bloc anodique en se rapprochant des côtés du bloc anodique, les extrémités de la rainure débouchant sur des côtés opposés du bloc anodique. En d'autres termes, le fond ou profondeur p(x) de la rainure suit un profil en forme de coupe transversale d'assiette à bords inclinés.

Selon encore un autre mode de réalisation particulier de l'invention, la rainure comporte une portion centrale, avec un fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, entourée de chaque côté par une portion d'extrémité, à fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, lesdites portions d'extrémités étant décrochées verticalement au dessus de ladite portion centrale, les extrémités de la rainure débouchant sur des côtés opposés du bloc anodique. En d'autres termes, le fond ou la profondeur p(x) de la rainure suit un profil en forme de coupe transversale de chapeau renversé.

Selon ces modes de réalisation, le coeur du bloc anodique n'est pas affaibli par la rainure sur la majeure longueur de la rainure correspondant à la portion centrale. Par ailleurs, les dégagements gazeux se produisent avantageusement à une hauteur élevée sur les côtés du bloc anodique dans la cellule d'électrolyse de sorte que l'agitation du bain d'électrolyse est plus régulière et propice à l'équilibre électrique, chimique et thermique de la cellule.

Selon encore d'autres modes de réalisation particuliers de l'invention, la rainure comporte une première portion, avec un fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, et une seconde portion à fond plat décrochée verticalement au dessus de ladite première portion ou à fond fortement incliné de 20 à 80° par rapport à l'horizontale en s'étendant en direction de la face supérieure du bloc anodique en se rapprochant des côtés du bloc anodique.

La présence de rainures a pour effet de réduire la turbulence du bain d'électrolyse et l'énergie cinétique de turbulence pour le volume situé en dessous de la face inférieure du bloc anodique. La demanderesse considère que cet effet est encore plus marqué lorsque la rainure n'est pas entièrement immergée du fait du chemin plus court à parcourir par les bulles de gaz pour être évacuées. La réduction de la turbulence est particulièrement bénéfique dans la région en dessous du bloc anodique car elle réduit la réoxydation du métal dissout dans le bain d'électrolyse.

Avec les blocs anodiques selon l'invention, une partie des rainures n'est pas immergée dans le bain pendant une durée prolongée par rapport aux rainures de l'art antérieur, et plus particulièrement au niveau des extrémités débouchantes des rainures. Les dégagements gazeux se font donc au dessus du bain ou haut dans le bain, dans la rainure ou sur les côtés des blocs, ce qui réduit la turbulence du bain entre les électrodes et permet de diminuer la distance entre les électrodes et d'augmenter les rendements énergétiques.

Aussi, par rapport à un bloc anodique de l'art antérieur pour lequel on passait, par consommation de carbone ou usure, d'une rainure effective à une absence de rainure, on observe avec les blocs anodiques selon l'invention une diminution progressive ou par palier de la longueur des rainures et donc de leur efficacité, ce qui évite des perturbations et changements brusques de la cinétique des fluides avec les problèmes d'équilibres électriques associés et facilite par exemple des réglages adaptatifs.

Par ailleurs, les rainures peuvent être orientées de telle sorte que lorsque les dégagements gazeux se produisent dans le bain d'électrolyse (après une certaine usure ou consommation du bloc anodique), ceux-ci sont dirigés vers les points de chargement en alumine de manière à faciliter l'agitation et la dissolution de l'alumine, plus particulièrement vers un couloir central dans la cellule d'électrolyse.

L'invention s'étend aux anodes ayant au moins un bloc anodique tel que décrit ci-dessus et une tige de fixation.

L'invention s'étend également à une cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée comportant au moins une d'anode telle que décrite ci-dessus, ainsi qu'à un procédé pour la fabrication d'aluminium comprenant les étapes consistant à : - fournir au moins une anode telle que définit ci-dessus ; - installer l'anode dans une cuve d'électrolyse d'aluminium ; - faire passer du courant dans la cuve d'électrolyse à travers l'anode ; - récupérer l'aluminium obtenu par électrolyse dans le fond de la cuve d'électrolyse.

L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide des figures annexées. Brève description des figures

La figure 1 illustre, vue en section transversale, une cellule d'électrolyse typique destinée à la production d'aluminium.

Les figures 2 à 9 représentent en vue de côté différents modes de réalisation d'un bloc anodique d'anode selon l'invention.

La figure 10 représente de façon schématique le fond d'une rainure courbé vers le haut au niveau d'une extrémité débouchante.

La figure 11 montre selon une autre vue de côté le bloc anodique de la figure 2. Description détaillée de l'invention Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent une zone de production d'aluminium liquide qui comprend une ou plusieurs salles d'électrolyse comportant des cellules d'électrolyse. Les cellules d'électrolyse sont normalement disposées en rangées ou files, chaque rangée ou file comportant typiquement plus d'une centaine de cellules, et raccordées électriquement en série à l'aide de conducteurs de liaison.

Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse 1 comprend une cuve 2, une structure de support 3, appelée "superstructure", portant une pluralité d'anodes 4, des moyens 5 pour alimenter la cuve en alumine et/ou en A1F3 et des moyens 12 pour récupérer les effluents émis par la cuve en fonctionnement. La cuve 2 comprend typiquement un caisson métallique 6 garni intérieurement de matériaux réfractaires 7, 8, un ensemble cathodique qui comprend des blocs en matériau carboné 9, appelés "blocs cathodiques", et des barres de raccordement métalliques 10 auxquelles sont fixés des conducteurs électriques 11 servant à l'acheminement du courant d'électrolyse. Les anodes 4 comportent chacune au moins un bloc anodique 13 en matériau carboné précuit et une tige métallique 14. Les blocs anodiques 13 ont typiquement une forme sensiblement parallélépipédique. Les tiges 14 sont typiquement fixées aux blocs anodiques 13 par l'intermédiaire d'éléments de fixation 15, généralement appelés "multipodes", comportant des goujons qui sont ancrés dans les blocs anodiques 13 généralement par l'intermédiaire d'évidements et de fonte. Les anodes 4 sont fixées de manière amovible à un cadre métallique mobile 16, appelé "cadre anodique", par des moyens de fixation mécaniques. Le cadre anodique 16 est porté par la superstructure 3 et fixé à des conducteurs électriques (non illustrés) servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.

Les matériaux réfractaires 7, 8 et les blocs cathodiques 9 forment, à l'intérieur de la cuve 2, un creuset apte à contenir un bain d'électrolyte 17 et une nappe de métal liquide 18 lorsque la cellule 1 est en fonctionnement. En général, une couverture 19 d'alumine et de bain solidifié recouvre le bain d'électrolyte 17 et tout ou partie des blocs anodiques 13.

Les anodes 4, et plus précisément les blocs anodiques 13, sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte 17, qui contient de l'alumine dissoute. Les blocs anodiques 13 ont initialement chacun une face inférieure typiquement essentiellement plane et parallèle à la surface supérieure des blocs cathodiques 9, qui est généralement horizontale. La distance entre la face inférieure des blocs anodiques 13 et la surface supérieure des blocs cathodiques 9, dite "distance interpolaire", est un paramètre important dans la régulation des cellules d'électrolyse 1. La distance interpolaire est généralement contrôlée avec une grande précision.

Les blocs carbonés anodiques sont progressivement consommés en utilisation. Afin de compenser cette usure, il est de pratique courante d'abaisser progressivement les anodes en déplaçant régulièrement le cadre anodique vers le bas. En outre, comme illustré à la figure 1, les blocs anodiques sont généralement à des degrés d'usure différents, avantageusement pour éviter d'avoir à changer toutes les anodes en même temps.

Les figures 2 à 9 présentent différents mode de réalisation de blocs anodiques 13a-13h rainurés d'anodes selon l'invention. Les blocs anodiques 13a-13h sont vus de côté, typiquement du côté long, et comportent respectivement des rainures 20a à 20h dont les fonds, disposés au coeur des blocs anodiques, sont représentés par des traits en pointillés, la portion en dessous de ces traits en pointillés étant évidée sur une largeur pouvant varier de 2 à 35 mm, et préférablement de 5 à 25 mm. Les blocs anodiques 13a-13h sont typiquement des parallélépipèdes rectangles de longueur L entre deux côtés 21 et 22 typiquement verticaux et de hauteur H entre une face inférieure 23 et une face supérieure 24 typiquement horizontales. Selon d'autres modes de réalisation des blocs anodiques, les arêtes supérieures peuvent être rognées pour limiter les pertes de carbone. Les blocs anodiques sont destinées à être consommées jusqu'à une hauteur maximale d'usure indiquée par les flèches 25.

Les rainures 20a à 20h s'étendent selon une direction x, typiquement parallèle à la longueur L de l'anode, et ont une profondeur p(x) qui varie le long de cette direction x, à la manière d'une fonction mathématique comme illustré sur la figure 2. Il est à noter que l'on entend par longueur Lr d'une rainure dans le présent document de brevet, la longueur selon la direction x.

La rainure 20a de la figure 2 s'étend sur toute la longueur L du bloc anodique et a par conséquent une longueur Lr égale à la longueur L. Elle comporte une portion centrale 30 avec un fond plat horizontal et deux portions d'extrémités 31, 32 avec un fond fortement incliné (d'un angle + a ou -a) par rapport à l'horizontale en s'éloignant de la face inférieure 23 à mesure qu'il se rapproche des côtés 21, 22 et débouchant respectivernent sur les côtés 21, 22 du bloc anodique 13a. Dans l'exemple de la figure 2, la portion centrale 30 s'étend sur 70% de la longueur Lr de la rainure 20a tandis que les portions d'extrémités s'étendent chacune sur 15% de la longueur Lr de la rainure 20a et le fond de la rainure 20a est incliné de 45° par rapport à l'horizontale sur ces portions d'extrémités 31, 32.

Avec un bloc anodique de hauteur FI égale à 600 mm, de hauteur maximale d'usure égale à 400 mm, de longueur L égale à 1500 mm et une rainure profonde de 200 mm au niveau de la partie centrale 30, le fond de la rainure débouche sur les côtés du bloc anodique 25 mm au dessus de la hauteur d'usure maximale 25 de sorte qu'une portion de rainure sera présente dans la surface inférieure 23 pendant tout la durée de vie de l'anode.

En comparaison d'un bloc anodique avec une rainure à fond plat de 200 mm de profondeur effective sur seulement la moitié de la durée de vie de l'anode, la rainure 20a sera présente dans la surface inférieure 23 sur 30% de la longueur Lr à mi-usure de l'anode, sur 22% (le la longueur Lr à 65% de l'usure de l'anode, sur 14% de la longueur Lr à 80% de l'usure de l'anode et sur plus de 3% de la longueur Lr à la fin de la durée de vie de l'anode. Cette longueur de rainure restante contribue à réduire le libre parcours moyen des bulles de gaz pour s'échapper de sous la surface inférieure. Aussi, le dégagement gazeux se produit plus longtemps au dessus du bain d'électrolyse ou plus haut dans le bain d'électrolyse sur le côtés 21, 22 de l'anode, ce qui améliore la stabilité des flux dans le bain d'électrolyse et plus particulièrement dans la région entre les électrodes. Comme les rainures s'enfoncent profondément dans le bloc anodique uniquement au niveau des portions d'extrémités, le coeur du bloc anodique n'est pas touché et la résistance mécanique globale du bloc anodique est peu affectée.

10 Le mode de réalisation de la figure 2 avec des portions d'extrémités fortement inclinées présente en outre l'avantage de faciliter et d'accélérer l'évacuation des gaz par effet gravitationnel et de limiter la formation de bulles de gaz de taille importante qui entraînent avec elles du métal et provoquent sa ré-oxydation et donc des pertes de rendement faraday. 15 Le mode de réalisation illustré sur la figure 2 peut se décliner selon différentes gammes de valeur pour différents paramètres, l'angle d'inclinaison a pouvant varier de 20° à 80° et préférablement de 30° à 70° et encore plus préférablement de 35° à 55°, et la partie centrale peut s'étendre sur 60 à 95% de la longueur Lr et 20 préférablement sur 70 à 90% de la longueur Lr et plus préférablement de 70 à 80% de la longueur Lr. Les relations entre la longueur de la partie centrale et l'angle d'inclinaison a des portions d'extrémités sont interdépendantes de sorte à ne pas affaiblir le bloc anodique et à obtenir une efficacité prolongée des rainures.

25 D'une manière générale, il est préférable de conserver une profondeur de rainure peu importante sur au moins 60% de la longueur Lr de la rainure et plus préférablement encore sur plus 70% de la longueur Lr de la rainure pour garantir une résistance élevée du bloc anodique. Un écart d'une valeur de plus de 10% de la hauteur H du bloc anodique, et plus préférablement un écart d'une valeur de plus de 15% de la 30 hauteur H du bloc anodique, entre cette profondeur de rainure peu importante et la profondeur de portions de la rainure surélevées qui s'étendent sur au moins 3 %, et de préférence sur 5 à 20 %, de la longueur Lr de la rainure permet d'obtenir des5 rainures ayant une efficacité significative pendant une durée de vie prolongée, et plus particulièrement de faciliter l'évacuation des gaz lorsque l'usure du bloc anodique dépasse cette profondeur de rainure peu importante.

On a représentée sur la figure 11 en vue de côté, selon le côté court 21, le bloc anodique 13a. Le bloc anodique 13a comporte plus particulièrement deux rainures 20a disposées typiquement chacune au quart de la largeur du bloc anodique 13a par rapport aux côtés longs de manière à obtenir un libre parcours moyen des bulles de gaz sous le bloc anodique minimum. Les rainures ont une largeur Wr pouvant varier typiquement de 2 à 35 mm, et préférablement de 5 à 25 mm, les proportions n'étant pas respectées sur la figure pour des raisons de clarté. On observe ainsi en pointillés le changement d'inclinaison entre la portion centrale 30 et la portion d'extrémité 31. Dans l'exemple de la figure 11, les arêtes supérieures 50 du bloc anodique sont rognées. On observe également en pointillés sur la figure 11 des évidements 51 formant des emplacements à l'intérieur desquels peuvent venir se fixer des goujons des multipodes . Dans cet exemple, le bloc anodique 13a présente plus particulièrement six évidements disposés sur deux rangées. Ces évidements sont en outre très peu profonds et ont par conséquent peu d'impact sur l'intégrité de la structure du bloc anodique.

En outre, l'invention ne se limite pas à un bloc anodique avec une rainure de configuration symétrique par rapport à un plan comme visible sur la figure 2 où les portions d'extrémités 31, 32 ont une inclinaison identique et une même longueur et où la partie centrale 30 est horizontale mais peut s'étendre également à un bloc anodique avec une rainure où les deux portions d'extrémités peuvent avoir des inclinaisons et/ou des longueurs différentes et où la portion centrale peut être inclinée par rapport à l'horizontale d'un angle inférieur à 10°.

Un tel exemple est illustré sur la figure 3 montrant le bloc anodique 13b avec une rainure 20b comportant une portion centrale 30' légèrement inclinée et des portions d'extrémités 31', 32' de longueurs différentes et d'inclinaisons différentes.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, le bloc anodique 13c comporte une rainure 20c s'étendant sur toute la longueur L du bloc anodique, par conséquent de longueur Lr égale à L, et dont la profondeur varie par paliers. La rainure 20c comporte une portion centrale 33 avec un fond plat horizontal et deux portions d'extrémités 34, 35 avec un fond plat horizontal, la rainure 20c étant plus profonde sur les portions d'extrémités 34, 35 que sur la portion centrale 33. Selon le mode de réalisation particulier présenté sur la figure 4, les portions d'extrémités 34, 35 ont des extrémités débouchantes débouchant sur les côtés 21 et 22 typiquement approximativement au niveau de la hauteur d'usure maximale 25 de l'anode et la portion centrale s'étend sur 70% de la longueur Lr de la rainure à mi-profondeur entre la hauteur d'usure maximale 25 et la surface inférieure 23 du bloc anodique. Les portions d'extrémités débouchent avantageusement approximativement au niveau de la hauteur d'usure maximale de manière à conserver une rainure jusqu'au changement d'anode sans fragiliser de manière inutile le bloc anodique. Par approximativement, on entend à plus ou moins 10 centimètres près, et de préférence à plus ou moins 5 centimètres près, la hauteur d'usure maximale n'étant elle-même pas une valeur fixe stricte pour tous les blocs anodiques mais correspondant à une valeur moyenne.

Selon l'invention, la portion centrale 33 s'étend sur au moins 60% de la longueur Lr, et de préférence sur plus de 70%, et les portions d'extrémités 34, 35 sont plus profondes que la portion centrale 33 d'au moins 10% de la hauteur H du bloc anodique, et de préférence d'au moins 15% de la hauteur H du bloc anodique.

Avec une telle configuration, lorsque le bloc anodique est consommé jusqu'à hauteur du fond de la portion centrale 33, la rainure 20c est présente sur les portions d'extrémités 34, 35 pendant un laps de temps supplémentaire. Les portions d'extrémités, plus profondes, étant latérales et de longueurs réduites, la structure du bloc anodique n'est pas affaiblie par une telle rainure.

Les portions centrale et/ou d'extrémités peuvent avoir un fond légèrement incliné par rapport à l'horizontal d'un angle inférieur à 10° et les portions d'extrémités peuvent avoir des longueurs ou des profondeurs différentes. Aussi, la rainure peut présenter un nombre de paliers plus important.

Comme visible sur la figure 5, selon l'invention, le bloc anodique 13d comporte une rainure 20d s'étendant sur toute la longueur du bloc anodique et comportant une première portion 36 légèrement inclinée par rapport à l'horizontale, d'un angle al généralement inférieur à 10° et une seconde portion 37 plus fortement inclinée par rapport à l'horizontaleä de préférence d'un angle a2 supérieur à 20°. L'inclinaison de la seconde portion 37 est suffisante pour que la rainure 20d perdure en partie pendant une durée importante après que la rainure ait été entièrement consommée sur la première portion 36.

Comme visible sur la figure 6, selon l'invention, le bloc anodique 13e comporte une rainure 20e débouchant sur un unique côté 22 du bloc anodique 13e. La longueur Lr de la rainure 20e est inférieure à la longueur L du bloc anodique. La rainure 20e comporte plus particulièrement une première portion 38 de faible profondeur et une seconde portion 39 de forte profondeur. Comme visible sur la figure 6, le fond des rainures peut décrire une trajectoire curviligne.

Le côté sur lequel débouche la rainure 20e ou encore l'inclinaison du fond de la rainure 20d est avantageusement configuré de manière à diriger et contrôler les flux gazeux. Aussi, l'orientation des rainures, de préférence longitudinalement dans le bloc anodique, mais aussi parfois transversalement ou en diagonal influe sur la cinétique globale des fluides de la cuve. De préférence, les rainures sont orientées et inclinées de manière à diriger les dégagements gazeux vers un couloir dans lequel est chargée l'alumine. Un tel couloir est typiquement disposé entre deux rangées d'anodes comme visible sur la figure 1 entre les deux blocs anodiques 13 mais peut également être disposé entre un bord de la cuve et une rangée d'anodes. L'agitation provoquée par les flux gazeux peut en outre améliorer la dissolution et la distribution de l'alumine dans le bain d'électrolyse, ainsi que l'équilibre thermique et chimique du bain.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré figure 7, le bloc anodique 13f comporte une rainure 20f sensiblement similaire à la rainure 20a mais comportant une partie centrale 30 non linéaire en forme de V, les deux branches 40, 41 du V étant inclinées par rapport à l'horizontale d'un angle compris entre +10° et -10°.

Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 8, le bloc anodique 13g comporte sur sa longueur L deux rainures 20g' et 20g" de longueur Lr', Lr", chacune débouchant sur un côté opposé 21, 22 du bloc anodique.

Chacune des rainures 20g' et 20g" est constituée par paliers et comporte une première portion 42', 42" de faible profondeur et une seconde portion 43', 43" de forte profondeur du côté débouchant. Entre les deux rainures 20g' et 20g", la surface inférieure 23 du bloc anodique n'est pas creusée de sorte qu'un tel bloc anodique a une résistance particulièrement importante. Selon l'invention, les premières portions 42', 42" s'étendent sur au moins 60% de la longueur Lr', Lr" de la rainure, et de préférence sur plus de 70%, et les secondes portions 43',43" sont respectivement plus profondes que les premières portions 42',42" d'au moins 10% de la hauteur H du bloc anodique, et de préférence d'au moins 15% de la hauteur H du bloc anodique.

Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 9, le bloc anodique 13h comporte une rainure 20h de longueur Lr ne débouchant pas sur les côtés 21, 22 du bloc anodique 13h. La rainure 20h est en forme de hotte avec deux portions de cotés 44, 45 sensiblement horizontales prolongées au centre par un conduit 46 montant en se rétrécissant. Le conduit 46 débouche sur la face supérieure 24 du bloc anodique où sont évacués les gaz. Le conduit 46 se rétrécit progressivement de sorte qu'il joue le rôle de rainure pendant une durée prolongée. Par ailleurs, la position centrale du conduit contribue à diminuer le libre parcours moyen des bulles de gaz. La résistance physique d'un tel bloc anodique provient du fait que les côtés 21, 22 du bloc anodique 13h ne sont pas entaillés. Aussi, l'évacuation des gaz par la surface supérieure du bloc anodique améliore la stabilité globale du bain d'électrolyse.

Mis à part le mode de réalisation de la figure 9, le fond de chaque rainure possède une profondeur maximale au niveau des extrémités débouchant sur les côtés afin de permettre l'évacuation des gaz par effet gravitationnel. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le fond des rainures peut présenter une trajectoire arrondie vers le haut au niveau des extrémités débouchantes comme cela est illustré sur la figure 10 de manière à faciliter l'évacuation en continue des gaz.

Selon l'invention, les rainures ont une profondeur qui varie de façon non-linéaire selon la direction x, c'est-à-dire que la profondeur de la rainure ne varie pas de façon constante d'un bout à l'autre de la rainure. Le fond des rainures présente par exemple une variation d'inclinaison ou un décrochement.

D'une manière générale, selon l'invention, les rainures peuvent être divisées en au moins deux parties, une première partie comptant pour au moins 60% et de préférence 70% de la longueur Lr de la rainure ayant une profondeur inférieure à un seuil Z1, et une seconde partie comptant pour au moins 3%, de préférence pour plus de 5%, et encore de préférence pour plus de 10%, de la longueur Lr de la rainure, cette seconde partie ayant une profondeur supérieure à un seuil Z2 équivalent à Z1 + 10% de la hauteur H et de préférence équivalent à Z1 + 15% de la hauteur H. La première partie, peu profonde, sert de structure compacte au bloc anodique afin de lui conférer une résistance importante. La seconde partie est décalée verticalement par rapport à la première partie de manière à ce que lorsque le bloc anodique est consommé jusqu'au seuil Z1, une portion de rainure, au moins longue comme la seconde partie, subsiste et facilite l'évacuation des gaz. Cette seconde partie à une longueur restreinte de manière à ne pas affaiblir la structure du bloc anodique.

Ces valeurs et pourcentages résultent de compromis permettant dans la pratique d'obtenir une efficacité prolongée de la rainure tout en conservant une résistance physique globale satisfaisante. Avantageusement, on limite les pertes de carbone de l'anode tout en conservant une anode solide et efficace.

Les blocs anodiques carbonés utilisés pour la fabrication d'aluminium comportent typiquement 1 à 4 rainures. Chaque rainure a de préférence une largeur constante Wr mais peut également présenter des variations de largeur le long de la direction x ou encore fonctions de la profondeur. Deux rainures peuvent en outre avoir des largeurs Wr différentes. Le profil en coupe transversale du fond de chaque rainure est de préférence horizontal mais peut également présenter une inclinaison ou courbure particulière.

Les rainures peuvent être réalisées soit lors du moulage des blocs crus, soit par sciage des blocs cuits.

Cette invention est particulièrement avantageuse pour le cas ou les rainures sont obtenues par moulage du fait que de tels blocs anodiques rainurés sont plus sujet à dégradation pendant le démoulage, le stockage, le transport ou encore la cuisson. Des dépouilles verticales sont introduites dans les moules afin de conformer les rainures. Les blocs sont démoulés par poussée selon une unique direction de sorte que selon les modes de réalisation de l'invention, il peut être nécessaire de retirer les dépouilles avant démoulage ou de pousser le bloc anodique par la surface inférieure.20

Claims (14)

REVENDICATIONS

1. Bloc anodique (13) en carbone pour utilisation dans une cellule d'électrolyse (1) de métal de hauteur H entre une face supérieure (24) et une face inférieure (23) et comprenant sur la face inférieure (23) au moins une rainure (20) de profondeur p(x) et de longueur Lr, la rainure s'étendant selon une direction x et ladite profondeur p(x) étant variable le long de ladite direction x, caractérisé en ce que ladite profondeur p(x) varie de façon non-linéaire le long de ladite direction x et en ce que ladite profondeur p(x) est inférieure à une première valeur Z1 sur au moins 60% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à une deuxième valeur Z2 au moins égale à Zl + 10% de la hauteur H sur 3 à 40% de la longueur Lr de la rainure.

2. Bloc anodique selon la revendication 1, dans lequel ladite profondeur p(x) est inférieure à ladite première valeur Z1 sur au moins 70% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à ladite seconde valeur Z2 au moins égale à Zi + 15% de la hauteur H sur 3 à 30% de la longueur Lr de la rainure.

3. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite rainure comprend au moins une extrémité débouchant sur un côté (21, 22) dudit bloc anodique et dans lequel la profondeur de la rainure est supérieure à ladite deuxième valeur Z2 au niveau de ladite extrémité débouchante.

4. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite rainure comprend deux extrémités débouchant chacune sur un côté dudit bloc anodique et dans lequel la profondeur de la rainure est supérieure à ladite seconde valeur Z2 au niveau de chacune des extrémités débouchantes.30

5. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel la profondeur de la rainure est maximale au niveau d'au moins une extrémité débouchante.

6. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la rainure comprend une première portion avec un fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10°.

7. Bloc anodique selon la revendication 6, dans lequel la rainure comprend en outre une portion d'extrémité avec un fond incliné de 20 à 80°.

8. Bloc anodique selon la revendication 6, dans lequel la rainure comprend en outre deux portions d'extrémités avec un fond incliné de 20 à 80°.

9. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la profondeur p(x) de la rainure varie substantiellement par palier le long de ladite direction x.

10. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la rainure a une profondeur maximale correspondant, à 10 cm, à la hauteur d'usure des blocs anodiques.

11. Anode comportant au moins un bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes.

12. Cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée comportant une pluralité d'anodes, caractérisée en ce qu'au moins une des anodes est une anode selon la revendication 11. 30

13. Cellule selon la revendication 12, dans laquelle les rainures débouchent dans un couloir où est introduit de l'alumine.25

14. Procédé pour la fabrication d'aluminium comprenant les étapes consistant à : - fournir au moins une anode selon la revendication 11 ; installer l'anode dans une cuve d'électrolyse d'aluminium ; faire passer du courant dans la cuve d'électrolyse à travers l'anode ; - récupérer l'aluminium obtenu par électrolyse dans le fond de la cuve d'électrolyse.