Ecran sous-cathodique comportant des zones déformables pour les cuves d'électrolyse Hall-Héroult

Description

[0001] 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 un écran destiné à empêcher l'infiltration des constituants de l'électrolyte dans l'espace sous-cathodique.

[0002] Les cuves pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult sont constituées universellement par un caisson métallique dont le fond est garni de matériau réfractaire et isolant, qui supporte les blocs carbonés formant la cathode sur laquelle se dépose l'aluminium liquide. L'étanchéité entre les blocs cathodiques et entre les blocs cathodiques et les parois du caisson, est généralement assurée par une pâte carbonée à base de brai et de coke ou d'anthracite.

[0003] Dès la première chauffe, il peut se former, par le jeu des dilatations différentielles, des fissures par lesquelles l'électrolyte fondu - constitué essentiellement par de la cryolithe - commence à s'infiltrer. Cette infiltration de cryolithe tend à dégrader les propriétés isolantes du matériau réfractaire sous-jacent. L'aluminium liquide peut également s'infiltrer par les mêmes voies, et donc attaquer les réfractaires isolants situés entre la cathode carbonée et le caisson métallique. En effet, ces réfractaires comportent généralement de la silice ou des silicates réductibles par l'aluminium liquide.

[0004] En outre, en particulier pendant les premiers mois de fonctionnement de la cuve d'électrolyse, il se produit une imprégnation progressive du garnissage carboné de la cuve par des éléments constitutifs du bain d'électrolyse, et en particulier le sodium et le fluor. Après avoir traversé le garnissage carboné, ces imprégnations sodo-fluorées peuvent attaquer le garnissage isolant sous-jacent.

[0005] En conséquence de cette dégradation des isolants thermiques par les imprégnations, I'isolation thermique de la cuve diminue, et les pertes thermiques augmentent. Cela est directement néfaste pour la consommation énergétique à la tonne d'aluminium produite, mais a également pour conséquence qu'il est difficile de trouver un équilibre thermique satisfaisant pour l'ensemble d'une série comportant de nombreuses cuves d'âge différent.

[0006] Pour limiter les effets de ces infiltrations et imprégnations, on a proposé de placer, au-dessus du matériel isolant, une couche protectrice d'acier (brevet FR-A- 2 388 901 = US-A-4 175 022). Mais, pour qu'un tel écran soit efficace, la demanderesse a constaté qu'il faut lui conférer une épaisseur relativement importante (plus de 5 mm); en outre, il doit être continu, et sa périphérie doit être maintenue à une température suffisamment basse (500 à 600° C) pour éviter que les infiltrations sodo-fluorées (cryolithe) ne le contournent.

[0007] Dans ces conditions, un écran épais monobloc présente deux inconvénients majeurs:

- l'écart de température entre le centre (env. 900°C) et la périphérie (env. 500° C) de l'écran provoque un flux thermique important vers la périphérie de la cuve, ce qui modifie son régime thermique de façon inacceptable, et dégrade les consommations énergétiques.

- cet écart de température engendre les dilatations thermiques différentielles importantes entre le centre et la périphérie de l'écran, ce qui provoque des déformations très néfastes pour le garnissage et pour la cathode.

[0008] La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités.

[0009] L'objet de l'invention est une cuve d'électrolyse comportant au moins un écran métallique en acier, placé sous la base des blocs carbonés constituant la cathode de la cuve d'électrolyse, et s'étendant au moins sur tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisée en ce que ledit écran est constitué par au moins une tôle d'acier continue, dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie épaisse ayant au moins 5 mm, et de préférence, de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable constituée par une tôle d'acier d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de la partie épaisse, disposée à la périphérie de ladite partie épaisse et, s'étendant dans la zone située sensiblement à l'extérieur de l'aplomb des blocs cathodiques, reliée à la partie épaisse par une soudure continue, et présentant à la température ambiante un allongement avant rupture supérieur à2%.

[0010] L'écran peut comporter dans la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques, une zone déformable constituée par au moins un profilé ouvert ou de préférence fermé d'épaisseur de paroi inférieure à - et de préférence égale à environ la moitié de - l'épaisseur de la partie épaisse de l'écran.

[0011] La cuve peut également comporter un écran complémentaire constitué d'une pluralité de tôles d'acier d'épaisseur individuelle inférieure à 5 mm, en relation superposée, et disposé entre la base des blocs carbonés et la partie épaisse de l'écran, à l'aplomb de la cathode.

[0012] Enfin, la cuve peut également être munie d'un écran complémentaire formé par une semelle en acier raccordée à chaque barre cathodique par une soudure, et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base inférieure du bloc carboné correspondant.

[0013] Les figures 1 à 4 illustrent la mise en oeuvre de l'invention.

[0014] La figure 1 représente la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques, dans laquelle l'écran est muni de profilés absorbant les contraintes de dilatation, et dans laquelle apparait un écran complémentaire constitué par la superposition de tôles minces.

[0015] La figure 2 représente le détail des profilés.

[0016] La figure 3 représente en coupe schématique une cuve d'électrolyse selon l'invention, sur laquelle apparait la zone déformable constituée par une tôle mince soudée à la périphérie de l'écran en tôle épaisse.

[0017] La figure 4 représente un dispositif d'écran complémentaire, soudé à la base des barres cathodiques.

[0018] La cathode de la cuve d'électrolyse est constituée par des blocs carbonés (1), assemblés par des joints (2) en pâte carbonée.

[0019] La barre cathodique en acier (3) est scellée à la fonte dans un logement (4), à la base du bloc carboné (1). Séparé par un lit de pose pulvérulent (5), l'écran (6) en tôle d'acier d'une épaisseur au moins égale à 5 mm, (et de préférence comprise entre 8 et 12 mm), est constitué par un certain nombre de sections (6A, 6B) reliées par l'intermédiaire d'un profilé creux tel qu'un tube en acier (7) sur lequel elles sont soudées par un cordon continu étanche (8). L'épaisseur des parois du tube (7) est inférieure à l'épaisseur de la tôle - écran (6) de façon que les tubes constituent une zone de déformation qui absorbe les dilatations de l'écran: elle peut être par exemple égale à la moitié (3 mm pour une tôleécran de 6 mm). L'écran repose sur le garnissage (9) du fond du caisson.

[0020] Il est possible d'augmenter l'efficacité de l'écran (6) et sa durée de vie en disposant entre la base des blocs cathodiques (1) et l'écran (6) une ou plusieurs tôles d'acier (10) de faible épaisseur (1 à 3 mm par exemple) qui agissent, en quelque sorte, comme barrière sacrificielle, vis-à-vis des infiltrations sodo-fluorées qui se produisent de manière prépondérante lors des premiers mois de fonctionnement de la cuve d'électrolyse.

[0021] D'autres variantes de réalisation de l'écran dans la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques apparaissent sur la figure 2: l'élément absorbant les dilatations peut être un tube carré (11) dont l'épaisseur de paroi est également de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de l'écran, ou un profilé ouvert tel qu'un demi- tube carré (12), qui offre plus de souplesse, mais peut constituer un point de faiblesse du fait de l'épaisseur réduite, et du risque de percée plus rapide qui en résulte. La disposition (13) de la figure 2B est également très favorable du point de vue de la souplesse, mais présente le même inconvénient.

[0022] La figure 3 montre, très schématisée, une cuve d'électrolyse en coupe transversale, avec le caisson métallique (14), le garnissage latéral (15) en pâte carbonée, les blocs cathodiques (1) dans lesquels sont scellées les barres cathodiques (3) en acier, la nappe d'aluminium liquide (16), l'électrolyte (17), le système anodique (18), le lit de pose (9) de l'écran (19) et le briquetage calorifuge du fond du caisson. L'écran (19) est constitué par une tôle épaisse en acier (d'une épaisseur supérieure à 5 nm et de préférence, comprise entre 8 et 12 mm) dans toute la partie où le gradient thermique est faible, c'est-à-dire sensiblement à l'aplomb des blocs cathodiques (1). La température des différentes parties de l'écran est indiquée dans la partie inférieure de la figure 3.

[0023] Dans la zone périphérique de l'écran où régne un gradient thermique important (800 à 500' C) on l'a prolongé par une partie périphérique en tôle mince (21), par exemple 2 à 5 mm, donc drainant un flux de chaleur réduit et plus facilement déformable, notamment en traction. La tôle mince est reliée à la partie épaisse par une soudure continue étanche (22). De préférence, cette tôle mince présentera à la température ambiante une limite d'allongement à la rupture supérieure à 2%. Dans tous les cas, il est préférable que la partie épaisse de l'écran représente plus de 50 % de la surface totale des blocs cathodiques. La partie périphérique amincie, déformable, est située sensiblement hors de l'aplomb de la cathode, c'est-à-dire dans la région à gradient thermique élevé.

[0024] Comme dans le cas de la figure 1, l'écran peut être soit posé directement sur le briquetage isolant thermique (20), soit sur un lit de pose intermédiaire (9), et il peut être séparé des blocs cathodiques par le lit de pose pulvérulent (5).

[0025] Un autre moyen pour améliorer l'efficacité et la durée de vie de l'écran consiste à utiliser, simultanément, le dispositif objet de notre brevet français 2 546 184 qui consiste en une semelle de tôle d'acier épaisse (23) raccordée à chaque barre cathodique (3) par soudure et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base du bloc carboné (1) soit directement, soit par l'intermédiaire d'une couche de liaison (24), élastique et conductrice du courant par exemple du feutre de graphite ou de carbone.

[0026] Cette semelle, outre qu'elle constitue un premier barrage à la pénétration de produits d'imprégnation sodo-fluorés, offre l'avantage de mettre en présence, de part et d'autre du lit de pose (5) deux matériaux identiques (acier), et de supprimer ainsi le risque de formation d'une pile électrochimique dans le cas où le lit de pose posséderait -ou acquerrait - une conductivité ionique. La corrosion électrochimique de l'écran (6) est ainsi évitée, et la corrosion chimique (par les produits d'imprégnation), fortement retardée.

[0027] La mise en oeuvre de l'invention permet d'augmenter sensiblement la durée de vie des cuves d'électrolyse, et de maintenir jusqu'à la fin, les pertes thermiques aussi faibles que possible.

Revendications

1. Cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé HALL-HEROULT, dont la cathode est constituée par des blocs carbonés dans lesquels sont scellées les barres cathodiques, cette cuve comportant un écran en acier disposé sous les blocs cathodiques et s'étendant au moins sous tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisée en ce que ledit écran est constitué par au moins une tôle d'acier continue, dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie épaisse (6) ayant au moins 5 mm, et de préférence, de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable constituée par une tôle d'acier (21) d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de la partie épaisse, disposée à la périphérie de ladite partie épaisse et, s'étendant dans la zone située sensiblement à l'extérieur de l'aplomb des blocs cathodiques (1), reliée à la partie épaisse par une soudure continue (22), et présentant à la température ambiante un allongement avant rupture supérieur à 2 %.

2. Cuve d'électrolyse, selon revendication 1, caractérisée en ce que l'écran comporte, dans la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques, une zone déformable constituée par au moins un profilé ouvert (12) ou de préférence fermé (11) d'épaisseur de paroi égale à environ la moitié de l'épaisseur de la partie épaisse (6).

3. Cuve d'électrolyse, selon revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, un écran complémentaire (10) constitué d'une pluralité de tôles d'aciers d'épaisseur individuelle inférieure à 5 mm, en relation superposée, et disposé entre la base des blocs carbonés (1) et la partie épaisse (6) de l'écran, à l'aplomb de la cathode.

4. Cuve d'électrolyse, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre un écran complémentaire formé par une semelle en acier (23) raccordée à chaque barre cathodique (3) par une soudure, et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base inférieure du bloc carboné (1) correspondant.

Ansprüche

1. Elektrolysewanne zur Aluminiumerzeugung nach dem Hall-Héroult-Verfahren, deren Kathode aus Kohlenstoffblöcken gebildet ist, in denen die Kathodenstangen eingelassen sind, welche Wanne einen Stahlschirm aufweist, der unter den Kathodenblöcken angeordnet ist und sich wenigstens unter dem ganzen senkrecht unter der Kathode liegenden Raum erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm aus wenigstens einem durchgehenden Stahlblech besteht, von dem wenigstens die Hälfte der Oberfläche aus einem dicken Teil (6) mit einer Dicke von wenigstens 5 mm und vorzugsweise 8 bis 12 mm besteht und das wenigstens eine verformbare, aus einem Stahlblech (21) geringerer Dicke als der Dicke des dicken Teils gebildete Zone aufweist, die am Umfang des dicken Teils angeordnet ist, sich in der im wesentlichen außerhalb der senkrechten Projektion der Kathodenblöcke (1) liegenden Zone erstreckt, mit dem dicken Teil durch eine durchgehende Schweißung (22) verbunden ist und bei der Umgebungstemperatur eine Dehnung vor Bruch über 2 % aufweist.

2. Elektrolysewanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm in der unter den Kathodenblöcken liegenden Zone eine verformbare Zone aufweist, die durch wenigstens ein offenes (12) oder vorzugsweise geschlossenes Profil (11) einer etwa der Hälfte der Dicke des dicken Teils (6) gleichen Wanddicke gebildet ist.

3. Elektrolysewanne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ergänzenden Schirm (10) aufweist, der aus einer Mehrzahl übereinanderliegender Stahlbleche einer Einzeldicke unter 5 mm gebildet und zwischen der Basis der Kohlenstoffblöcke (1) und dem dicken Teil (6) des Schirms senkrecht unter der Kathode angeordnet ist.

4. Elektrolysewanne nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen ergänzenden Schirm aufweist, der durch eine Stahlunterlage (23) gebildet ist, die mit jeder Kathodenstange (3) durch eine Schweißung verbunden und im elektrischen Kontakt mit wenigstens 50 der Oberfläche der Unterseite des entsprechenden Kohlenstoffblocks (1) ist.

Claims

1. Electrolysis cell for the production of aluminium by the HALL-HEROULT process, the cathode of which consists of carbonaceous blocks in which the cathode bars are embedded, this cell comprising a. screen of steel placed under the cathode blocks and extending at least under the whole space situated vertically underneath the cathode, characterised in that the said screen consists of at least one continuous sheet of steel having at least half its surface formed by a thick part (6) which has a thickness of at least 5 mm, preferably 8 to 12 mm, and comprising at least one deformable zone consisting of a steel sheet (21) which is less thick than the thick part and which is situated at the periphery of the said thick part and extends into the zone substantially external to the area vertically underneath the cathode blocks (1) and is connected to the thick part by a continuous join (22) and has an elongation before rupture greater than 2% at the ambient temperature.

2. Electrolysis cell according to claim 1, characterised in that the screen comprises, in the zone situated vertically underneath the cathode blocks, a deformable zone formed by at least one open (12) or preferably closed (11) profile, the wall thickness of which is approximately equal to half the thickness of the thick part.

3. Electrolysis cell according to claim 1 or 2, characterised in that it comprises an additional screen (10) consisting of a plurality of steel sheets which each individually have a thickness of 5 mm and which are arranged one above the other and situated between the base of the carbonaceous blocks (1) and the thick part (6) of the screen vertically underneath the cathode.

4. Electrolysis cell according to any one of claims 1 to 3, characterised in that it comprises, in addition, an additional screen formed by a steel bedplate (23) connected to each cathode bar (3) by a join and in electrical contact with at least 50% of the surface of the lower base of the corresponding carbonaceous block (1).

Dessins