OA12931A - Procédé de préchauffage d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse. - Google Patents

Description

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La présente invention se rapporte à un procédé de préchauffage d'une cuve pourvue d'anodes et de cathodes pour la production d'aluminium par électrolyse. L'aluminium est produit industriellement par électrolyse ignée,c'est-à-dire par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain decryolithe fondue. Ce bain est contenu dans une cuve comprenant uncaisson d'acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaireset/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Desanodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le baind'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyseet la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et deséléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine etpermet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température del'ordre de 950°C.

Les cuves sont disposées en série et sont soumises à uncourant de même intensité.

Cependant, avant d'aboutir à la production d'aluminiumproprement dite, il est nécessaire d'assurer la mise en température de lacuve qui est initialement froide. Ceci est une opération délicate durantlaquelle il faut éviter les chocs thermiques. En effet, une cuve nécessite uninvestissement très important et possède une durée de vie typiquementcomprise entre 3 et 7 ans. Il est donc nécessaire de prendre toutes lesprécautions de façon à ne pas réduire la période d'activité de la cuve. Pourcela, la montée en température au sein de la cuve doit être lente,typiquement de 20°C par heure.

Dans un procédé de préchauffage connu, une couche uniformed'un matériau granulé conducteur est déposée entre les anodes et lescathodes, cette couche autorisant alors un procédé de préchauffage de lacuve par résistance.

Il a déjà été proposé d'utiliser un matériau carboné et plusparticulièrement du coke comme matériau granulé conducteur. L'emploi decoke conduit à une résistance trop forte rendant obligatoire l'utilisation deshunts qui sont progressivement ôtés (tel que décrit dans "Cathodes in 012931

Aluminium Electrolysis", de M. Sertie et H.A. 0ye, Aluminium Verlag,1994, pp. 77-83).

La présente invention a pour objet de résoudre les inconvénientsprécédemment évoqués, et concerne à cet effet un procédé depréchauffage d'une cuve pourvue d'anodes et de cathodes pour laproduction d'aluminium par électrolyse, ledit procédé comprenant unepremière étape, avant alimentation en courant de la cuve, durant laquelleune couche d'un matériau granulé conducteur est déposée puis écraséeentre les anodes et les cathodes, caractérisé en ce que le matériau granuléconducteur est à base de graphite et en ce que la couche du matériaugranulé conducteur ne s'étend, après écrasement, que sur une partie de lasurface inférieure de chaque anode.

Ainsi, l'emploi d'une telle couche de matériau granuléconducteur permet de préchauffer la cuve à la température souhaitée dansune période de temps raisonnable de l'ordre de 60 heures, sans pour autantutiliser de shunts présentant des inconvénients en terme de sécurité et deproductivité. L'utilisation de graphite sur une partie seulement de la surfacede contact de chaque anode permet d'augmenter la résistance, et ainsid'accélérer la montée en température et de réduire la durée de l'opération.

De plus, il est possible d'obtenir une température plushomogène des cathodes au sein de la cuve. D’une part, cet effet provientde l'amélioration de la reproductibilité de la résistance totale offerte par lacouche de matériau granulé conducteur. En effet, cette résistance dépendde la pression exercée sur la couche et de l'épaisseur de cette couche. Uncouple surface/épaisseur bien choisi permettra alors d'obtenir unerésistance totale peu sensible aux variations de ces paramètres etengendrera moins de points chauds sur les cathodes. D'autre part, ladisposition du matériau granulé permet d’adapter la résistance pour obtenirun profil de chauffage le plus uniforme possible. En effet, le degré deliberté dégagé en ne couvrant pas toute la surface de contact de chaqueanode permet d'accentuer le chauffage des parties qui sont les plussoumises aux pertes thermiques.

Un autre avantage de ce procédé réside dans le fait que laquantité de poussière de carbone à enlever du bain d'électrolyse après ledémarrage de la cuve est nettement moins importante. 012931

Préférentiellement, la couche du matériau granulé conducteurrecouvre, après écrasement, entre 5 et 40 %, typiquement de 5 à 20 %,de la surface inférieure de chaque anode.

Ladite couche de matériau carboné prend de préférence encorela forme de plots. En d'autres termes, au niveau de chaque anode, le dépôtde la couche de matériau granulé conducteur est, de préférence, réalisésous la forme de plots. Le nombre de ces derniers est avantageusementcompris entre 3 et 20, inclusivement, et est typiquement entre 4 et 8,inclusivement.

Ces plots peuvent être alignés, mais peuvent être égalementdisposés en quinconce, ou même de façon dissymétrique. De plus, cesplots peuvent être de tailles différentes et posséder toute forme généraleen section, notamment circulaire ou ovale. En particulier, deux ou plusieursplots peuvent avoir une section de taille différente (correspondant à undiamètre différent dans le cas des plots de section criculaire). Uneconcentration plus importante de plots peut être prévue à proximité decertaines parties de la cuve, par exemple les parois de la cuve, de façon àobtenir une montée en température satisfaisante dans l'ensemble de lacuve.

Préférentiellement, chaque plot possède une épaisseur initiale,avant écrasement, comprise entre 0,5 et 4 cm. Après écrasement,l'épaisseur est typiquement comprise entre 0,5 et 3 cm. De façonparticulièrement avantageuse, chaque plot possède une épaisseurrespectivement, avant écrasement, de l'ordre de 3 cm, et aprèsécrasement, de l'ordre de 2 cm.

Préférentiellement encore, les plots sont réalisés à l'aide d'ungabarit placé sur les cathodes et comprenant une plaque munie de plusieursorifices dans chacun desquels est introduit du matériau granulé conducteur.

Avantageusement, 90 à 95% des grains de graphite dumatériau granulé conducteur possèdent une taille comprise entre 1 et8 mm. Ce matériau granulé conducteur, à base de graphite, peut égalementcomprendre au moins un autre matériau apte à faire varier sa résistivité, telqu'un matériau carboné sous-calciné ou de l'alumine. L’invention concerne, également, un procédé de préchauffaged’une cuve par la production d'aluminium, comprenant les étapessuivantes : 012931 4 - formation d'une couche du matériau granulé conducteur surune partie de la surface d'une cathode, - mise en appui de chaque anode sur la couche de matériau granulé, - établissement d'une liaison électrique entre la tige de chaqueanode et le cadre anodique, - mise en circuit de la cuve de manière à faire circuler uncourant électrique entre les cathodes et les anodes.

La mise en appui de chaque anode sur la couche de matériaugranulé entraîne la mise en compression de cette couche, qui estgénéralement écrasée sous l'action du poids de l'ensemble anodique. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descriptiondétaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention qui est exposé ci-dessous et des figures annexées.

La figure 1 est une vue en coupe d'une cuve après dépôt dumatériau granulé conducteur et écrasement de ce dernier entre les anodeset les cathodes.

La figure 2 est une vue de dessus d'un gabarit permettant ledépôt des plots au sein de la cuve.

La figure 3 est une vue en coupe transversale du gabaritreprésenté à la figure 2.

La figure 4 est une vue d'un plot de matériau granuléconducteur après enlèvement du gabarit.

Tel qu'illustré à la figure 1, une cuve 1 pour la productiond'aluminium par électrolyse comprend typiquement un caisson 2 métalliquegarni intérieurement de matériaux réfractaires 3, 4, des cathodes 5 enmatériau carboné, des ensembles anodiques 6, un cadre anodique 7, desmoyens 8, tels que des capots, pour récupérer les effluents émis par lacuve 1 en fonctionnement, et des moyens 9 pour alimenter la cuve enalumine et/ou en AIF3. Les ensembles anodiques 6 comprennent chacun aumoins une anode (ou bloc anodique) 10 et une tige 11, cette dernièreprésentant typiquement un multipode 12 pour fixer l'anode 10.

En vue du préchauffage de la cuve 1, et avant la mise en circuitde la cuve qui fait circuler un courant électrique entre les cathodes 5 et lesanodes 10, il est procédé à une première étape durant laquelle des plots 13d'un matériau granulé conducteur 25 essentiellement à base de graphite 012931 5 ont été disposés, puis écrasés entre les cathodes 5 et les anodes 10. Plusprécisément, les différents plots 13 sont placés de façon discontinue entreles cathodes 5 et la surface inférieure (ou "surface de contact") 14 dechacune des anodes 10. Chaque surface de contact 14 est alorspartiellement en contact avec le matériau granulé conducteur 25. Cedernier est, avantageusement, réalisé à l'aide de grains dont 90 à 95 %présentent une granulométrie comprise entre 1 et 8 mm. Ces plots 13 sontavantageusement disposés de façon à chauffer plus la périphérie que lecentre de chaque cathode 5 qui est généralement plus chaud. Enfonctionnement, les parties proches des parois de la cuve 1 peuvent ainsibénéficier d'une montée en température plus efficace.

Il a été réalisé des essais sur plusieurs cuves Pechiney AP-30dans lesquelles quatre plots similaires à ceux décrits précédemment ont étédisposés pour chaque anode, les cuves étant par ailleurs équipées de blocscathodiques graphitiques. Les essais ont été réalisés à une intensité de305 kA, la mise en circuit se faisant sans shunt en retirant les éléments quicourcircuitent la cuve.

Comme montré aux figures 2 et 3, un gabarit 15 a été utilisépour positionner les plots 13 dans la cuve 1 avant mise en place desensembles anodiques 6. Plus précisément, un tel gabarit 15 est réalisé sousla forme d'une plaque 16 comportant plusieurs orifices 17 alignés, qui sontau nombre de quatre en l'espèce. La plaque 16 possède une longueurd'environ 1,50 m, une largeur de 65 cm, et une épaisseur de 3 cm. Lesorifices 17 sont sensiblement circulaires et présentent un diamètre del'ordre de 20 cm.

Cette plaque 16 est tout d'abord placée dans la cuve 1 aucontact d'une cathode 5. Les orifices 17 sont ensuite remplis à l'aide dumatériau granulé conducteur 25, et la plaque 16 est finalement ôtée.Comme indiqué à la figure 4, à l'enlèvement de la plaque 16, chaque plot13 de matériau granulé conducteur 25 s'évase légèrement et se transformeen un tronc conique présentant un diamètre de 20 à 24 cm à la base, et undiamètre de 14 à 16 cm au sommet. Les troncs coniques s'écrasentensuite sous le poids de chaque ensemble anodique.

Le dessus des anodes et le couloir central 18 ont été calorifugésavec de la laine de roche, et des plaques de laine de roche ont étéappliquées contre les parois extérieures des anodes. Le pourtour des cuves 012931 6 a été rempli de bain broyé et de carbonate de sodium, et les capots prévuspour améliorer l'isolation thermique ainsi que la captation des gaz émis parla pâte de brasque ont été mis en place dans les heures qui ont suivi lamise en circuit.

Onze thermocouples ont été insérés à la surface des blocsanodiques comme suit : trois ont été insérés dans le couloir central, deuxdans chacun des deux couloirs latéraux, un à chacune des deux têtes, etdeux dans des angles opposés.

Après 60 heures de préchauffage, la température relevée parchacun des thermocouples situés au niveau du couloir central était dansune fourchette de 850 et 1000 °C. Tous les autres thermocouples étalentau-dessus des minimum visés, à savoir, plus de 7OO°C dans les têtes, plusde 600°C dans les couloirs latéraux, et plus de 500°C dans les angles. Deplus, aucun point chaud n'était apparent sur les cathodes. Enfin, à toutmoment, la montée en température dans le couloir central a été effectuée àmoins de 30°C par heure.

Il est à noter que la connexion des tiges d'anodes au cadreanodique peut être avantageusement réalisée en utilisant des souples depréchauffage.

Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemplesparticuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullementlimitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyensdécrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre del'invention. Références numériques : 1 Cuve d'électrolyse 2 Caisson 3, 4 Matériau réfractaire 5 Cathode 6 Ensemble anodique 7 Cadre anodique 8 Capots 9 Moyen d'alimentation de la cuve 10 Anode 01293 1 11 12 13 14 5 15 16 17 1825

Tige

Multipode

Plot

Surface inférieure d'une anode

Gabarit

Plaque

Orifice

Couloir central

Matériau granulé conducteur 10

Claims (11)

1. 01293 1 8 REVENDICATIONS

   1. - Procédé de préchauffage d'une cuve (1) pourvue d'anodes(10) et de cathodes (5) pour la production d'aluminium par électrolyse, leditprocédé comprenant une première étape, avant alimentation en courant dela cuve, durant laquelle une couche d'un matériau granulé conducteur (25)est déposée puis écrasée entre les anodes et les cathodes, caractérisé ence que le matériau granulé conducteur est à base de graphite, et en ce quela couche du matériau granulé conducteur (25) ne s'étend, aprèsécrasement, que sur une partie de la surface inférieure (14) de chaqueanode (10) et prend la forme.de plots (13).
2. 2. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lacouche du matériau granulé conducteur (25) recouvre, après écrasement,entre 5 et 40 % de la surface inférieure (14) de chaque anode (10).
3. 3. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lacouche du matériau granulé conducteur (25) recouvre, après écrasement,entre 5 et 20 % de la surface inférieure (14) de chaque anode (10).
4. 4. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que le nombre de plots (13) associés à chaque anode (10)est compris entre 3 et 20.
5. 5. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce que les plots (13) possèdent, en section, une formegénérale circulaire ou ovale.
6. 6. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,caractérisé en ce que chaque plot (13) possède une épaisseur initialecomprise entre 0,5 et 4 cm.
7. 7. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que les plots (13) sont réalisés à l'aide d'un gabarit (15)placé sur les cathodes (5) et comprenant une plaque (16) munie deplusieurs orifices (17) dans chacun desquels est introduit du matériaugranulé conducteur (25),
8. 8. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,caractérisé en ce que 90 à 95% des grains de graphite du matériau granuléconducteur (25) possèdent une taille comprise entre 1 et 8 mm. 012931 9
9. 9. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,caractérisé en ce que le matériau granulé conducteur (25) comprend enoutre au moins un autre matériau apte à faire varier sa résistivité.
10. 10. - Procédé de préchauffage d'une cuve, selon l'une des5 revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la formation d'une couche du matériau granulé conducteur surune partie de la surface d'une cathode, - la mise en appui de chaque anode sur la couche de matériau 10 granulé, - l'établissement d'une liaison électrique entre la tige de chaqueanode et le cadre anodique, - la mise en circuit de la cuve de manière à faire circuler uncourant électrique entre les cathodes et les anodes.
11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que deux ou plusieurs plots (13) ont une section de tailledifférente.