Eléments cathodiques flottants, à base de réfractaire électroconducteur, pour la production d'aluminium par électrolyse

Description

[0001] La présente invention concerne des éléments cathodiques flottants, en réfractaire électroconducteur, tel que le diborure de titane, destinés à la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult.

[0002] Dans les cellules Hall-Héroult, la cathode est constituée universellement par des blocs de carbone juxtaposés, dans lesquels sont scellées des barres métalliques elles-mêmes reliées à des conducteurs assurant la connexion électrique avec la cuve suivante de la série. En fonctionnement, la cathode est recouverte en permanence d'une couche d'aluminium liquide d'une vingtaine de centimètres d'épaisseur.

[0003] Dans les cuves modernes, qui fonctionnent sous des intensités atteignant ou dépassant 200.000 Ampères, on doit conserver une distance interpolaire d'au moins 40 millimètres entre les anodes et la surface de la couche d'aluminium liquide pour éviter que les vagues se produisant à l'interface entre le métal produit et la bain d'électrolyse ne réentraînent de l'aluminium ou du métalliques, ou partiellement réduits, vers l'anode où ils se réoxyderaient. Celà provoque une chute de tension supplémentaire importante, dépassant 1,5 volts, c'est-à-dire plus du tiers de la chute de tension totale aux bornes d'une cuve.

[0004] Parmi les différents procédés que l'on a imaginés pour augmenter la mouillabilité de la cathode par l'aluminium liquide et réduire le réen- traînement de cet aluminium liquide par les mouvements conjugués du métal et du bain d'électrolyse, l'utilisation de composés réfractaires électroconducteurs tient une large place et, en particulier, les borures de titane et de zirconium.

[0005] De façon générale, les réfractaires électroconducteurs appartiennent à la classe formée par les borures, carbures et nitrures des métaux des groupes 4A, 5A et 6A mais, jusqu'à présent, les recherches se sont essentiellement axées sur les diborures de titane TiB₂ et de zirconium ZrB₂.

[0006] Ces réfractaires électroconducteurs, pris séparément, ou en combinaison, peuvent être mis en oeuvre dans les cuves d'électrolyse du type Hall-Héroult, dans la mesure où ils possèdent simultanément les trois propriétés suivantes:

- Résistivité électrique inférieure à 1000 µΩcm et, de préférence, à 100 µΩcm à 950-970°C.

- Bonne mouillabilité par l'aluminium liquide.

- Inertie chimique et physique vis-à-vis de l'aluminium liquide et du bain d'électrolyse.

[0007] A 1 000° C, le borure de titane a une résistivité de 60 µΩcm - et le borure de zirconium de 74 µΩcm - soit respectivement 2 et 2,5 fois celle de l'aluminium liquide, mais plus de 5000 fois inférieure à celle du bain d'électrolyse qui est de l'ordre de 450 000 µΩcm. Ils sont parfaitement mouillés par l'aluminium liquide et suffisamment inertes vis-à-vis de la cryolithe fondue.

[0008] Cependant, le prix très élevé des borures de titane et de zirconium, et la sensibilité de ces produits, à l'état massif, aux chocs thermiques, se sont opposés jusqu'à présent à ce que l'on réalise des blocs cathodiques massifs en ces deux matériaux, et, dans la pratique industrielle, on tend à utiliser soit des recouvrements d'épaisseur réduite obtenus par différents procédés, tels que dépôt en phase vapeur ou diffusion à l'état solide, soit des éléments massifs scellés dans la cathode carbonée et émergeant de la nappe d'aluminium liquide produit, dont on trouve une description complète dans deux articles de la revue allemande »Aluminium« pages 642-648 (Octobre 1980) et 713-718 (Novembere 1980) de K. BILLEHAUG et H. A. OYE, sous le titre »Inert cathodes for aluminium electrolysis in Hall-Heroult cells«.

[0009] Ces revêtements de faible épaisseur, ou de faibles dimensions, en borure de titane ou de zirconium, résolvent de façon relativement satisfaisante le problème de la conductivité électrique des blocs cathodiques et leur mouillabilité par l'aluminium liquide, mais ils sont malheureusement sujets à une usure relativement rapide par dissolution progressive dans l'aluminium avec lequel ils sont en contact. On estime que la consommation de TiB₂ peut atteindre 200 Grammes par tonne d'aluminium produit et le TiB₂ coûte plusieurs centaines de francs le kilo à l'heure actuelle. En outre, le remplacement des éléments cathodiques usés implique l'arrêt total et le démontage partiel de la cuve d'électrolyse, ce qui est inacceptable dans la pratique industrielle.

[0010] Des éléments cathodiques en borure de titane pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult ont été décrits initialement dans les brevets français:

FR-A-1 195 505 - 1203015 - 1205857 - 1 227 951 - 1 229 537 - 1 148 068 - 1 149 468 de BRITISH ALUMINIUM COMPANY Ltd et 1 165136 de KAISER ALUMINIUM et, plus récemment, dans les brevets FR-A-2 337 210 d'AL-COA - 2430464 d'ALUSUISSE, US-A-4177 128 de PPG INDUSTRIE - US. 4 093 524 de KAISER ALUMINIUM, mais, il ne semble pas qu'ils aient donné lieu à des réalisations à l'échelle industrielle.

[0011] De même, le brevet FR-A-2 471 425 (ALU-SUISSE) décrit des éléments cathodiques en diborure de titane sous forme de matériau grenu ou en morceaux, déversé en vrac sur le fond de la cuve, et recouverts d'une épaisseur d'aluminium liquide au moins égale à 2 mm.

[0012] Dans notre demande de brevet français n 81 04059 (FR-A-2 500 488) d'ALUMINIUM PECHINEY, on a décrit et revendiqué notamment, d'une part, un procédé de production d'aluminium selon la technique Hall-Héroult consistant à électrolyser de l'alumine dissoute dans un bain à base de cryolithe fondue, à une température de l'ordre de 930 à 960" C, entre un système cathodique comportant un substrat carboné recouvert en permanence par une couche d'aluminium liquide et un système anodique comportant au moins une anode carbonée, caractérisé en ce que l'on dispose sur le substrat cathodique carboné une pluralité d'éléments en diborure de titane, non liés audit substrat et non liés entre eux, formant sur ledit substrat un lit d'épaisseur régulière, en ce que l'on règle l'épaisseur de la couche d'aluminium liquide à une valeur au plus égale à l'épaisseur du lit d'éléments en diborure de titane et en ce que l'on fixe la distance entre le plan du système anodique et le plan supérieur du lit d'éléments en borure de titane à une valeur comprise entre 30 et 10 millimètres et, d'autre part, une cathode pour la mise en oeuvre de ce procédé, caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat carboné recouvert d'une pluralité d'éléments en diborure de titane, non liés au substrat et non liés entre eux, formant sur ledit substrat un lit d'épaisseur régulière.

[0013] Selon le brevet principal, cette cathode peut comporter un support carboné intermédiaire placé sur le substrat carboné de base, et supportant le lit de particules en diborure de titane.

[0014] Enfin, dans le certificat d'addition N° 8 112 909 (FR-A-2 508 496) à ce même brevet également au nom d'ALUMINIUM PECHINEY, on a décrit et revendiqué des éléments cathodiques amovibles comportant un support intermédiaire inerte et des éléments actifs en réfractaire électroconducteur, tel que TiB₂, solidaires mais séparables dudit support, l'ensemble formé par le support intermédiaire inerte et les éléments actifs ayant une densité supérieure à la densité de l'aluminium liquide à la température de l'électrolyse.

[0015] Cependant, la mise en oeuvre des éléments cathodiques en réfractaire électroconducteur mouillables par l'aluminium liquide, objet des demandes de brevet n° 81 04059 et de certificat d'addition 81 12909 peut dans certains cas, présenter quelques inconvénients:

- l'épaisseur de la couche de métal liquide dans laquelle baigne le lit d'éléments mouillables est faible et peut localement devenir le siège d'intenses courants électriques horizontaux, qui risquent d'induire des forces électromagnétiques tendant à mettre ce métal en mouvement et à entraîner les éléments conducteurs mouillables, modifiant ainsi l'uniformité du lit formé par ces éléments;

- en cas d'effet d'anode, il est impossible de mettre l'anode, par abaissement de sa position, au contact de la nappe d'aluminium liquide et de dépolariser ainsi la plan anodique;

- pour pouvoir prélever périodiquement le volume de métal produit, il est nécessaire de prévoir dans la cathode un puits ou un chenal formant réservoir qui draine le métal s'écoulant du lit cathodique. L'importance du volume de ce réservoir et divers problèmes d'isolement électrique peuvent compliquer la conception du fond de la cuve et augmenter ce coût;

- en cas d'embourbement du fond de la cuve par des boues d'alumine et d'électrolyte non dissous, le lit, qui est de faible épaisseur, va se trouver rapidement masqué par ces boues, et le fonctionnement de la cellule en sera perturbé;

- il existe un risque d'endommager, ou même de détruire des éléments du support intermédiaire inerte et des éléments en TiB₂ en cas de chute ou de descente incontrôlée d'une anode.

[0016] La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients. Elle est basée sur des éléments en réfractaires électroconducteurs mouillables par l'aluminium liquide et, en particulier, à base de diborure de titane, non directement liés au substrat cathodique, guidés et disposant d'un degré de liberté limitée, dans le sens vertical, et que l'on maintient flottants à l'interface entre le bain d'électrolyse et l'aluminium produit, quelles que soient les fluctuations de cette interface pendant le processus d'électrolyse, en les faisant supporter par un support intermédiaire inerte de densité inférieure à celle de l'aluminium liquide.

[0017] En outre, ces éléments sont amovibles de façon à être mis en place et remplacés sans interrompre l'électrolyse, avec passage intermédiaire éventuel dans une enceinte de préchauffage ou de refroidissement contrôlé, à atmosphère contrôlée ou non.

[0018] La présente invention a four objet ces éléments cathodiques flottants et les cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium comportant ces éléments.

[0019] Dans tout ce qui suit, nous conviendrons de désigner par:

- élément cathodique flottant: l'ensemble formé par un support intermédiaire inerte et au moins un élément cathodique actif, amovible, caractérisé en ce que sa densité moyenne est inférieure à la densité de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'utilisation des cuves Hall-Héroult;

- moyen d'ancrage: une structure de densité supérieure à celle de l'aluminium liquide dans les conditions normales d'utilisation des cuves Hall-Héroult, confectionnée soit en matériau réfractaire ou céramique, soit en métal recouvert d'une couche protectrice, et caractérisé en ce qu'elle comporte au moins une butée ou un dispositif limitant, vers le haut, la course verticale d'un ou plusieurs éléments cathodiques flottants;

- moyen de guidage: un système mécanique dont l'objectif est de limiter le débattement latéral d'un ou plusieurs éléments cathodiques flottants, tout en lui laissant une liberté de mouvement dans le sens vertical, cette liberté étant éventuellement limitée par le moyen d'ancrage. Le moyen de guidage et le moyen d'ancrage peuvent être partiellement ou totalement confondus;

- interface: l'interface entre la nappe d'aluminium liquide produit par l'électrolyse, et l'électrolyte (cryolithe fondue).

[0020] Le diborure de titane ayant une densité très supérieure à celle de l'aluminium liquide à la température (env. 960°C) de l'électrolyse (environ 4,5 contre 2,3 à 2,1-2,2 pour l'électrolyte), son utilisation pour constituer des éléments cathodiques flottants, peut s'effecteur selon l'une des trois variantes suivantes:

1. On dispose les éléments sur un substrat inerte de densité sensiblement inférieure à celle de l'aluminium liquide, et on règle la proportion: masse du substrat inerte/masse de TiB₂ de façon que l'ensemble ait une densité inférieure à celle de l'AI liquide (2,3) et supérieure à celle de l'électrolyte (l'expression substrat inerte signigie que ce substrat n'a pas pour fonction principale de servir, en lui-même, de cathode pour le dépôt électrochimique d'aluminium métal).

2. procède, comme dans la première variante, mais en plus, on retient les éléments à l'interface par un ancrage sur le substrat cathodique qui leur laisse un degré de liberté dans le sens vertical.

3. On adjoint aux éléments en TiB₂ un flotteur en graphite (densité 1,6 à 2 à 960°C) de façon telle que l'ensemble élément + flotteur ait une densité inférieure à celle de l'électrolyte (comprise entre 2,1 et 2,2 dans l'intervalle 930-960°C). Les ensembles flottent au-dessus de l'interface bain-métal. La conduction électrique vers la cathode est alors assurée par des queues conductrices plongeant dans la nappe de métal.

Les figures 1 à 15 illustrent les différents modes de mise en oeuvre de l'invention.

La figure 1 représente un élément cathodique flottant muni d'une pluralité d'éléments actifs amovibles en TiB₂.

Les figures 2 et 3 représentent deux formes possibles d'éléments actifs en TiB₂.

Les figures 4 et 5 représentent deux éléments cathodiques flottants, munis d'éléments actifs en TiB₂ de forme tubulaire fendue, et de moyens d'ancrage sur le substrat.

La figure 6 représente un élément cathodique flottant ancré dans un bloc de béton réfractaire dense.

La figure 7 représente un moyen de guidage latéral d'un élément cathodique flottant.

La figure 8 représente un autre type d'élément cathodique flottant, avec butées hautes et basses intégrées dans le support réfractaire.

La figure 9 représente le détail de ces butées.

Les figures 10 à 13 représentent diverses variantes de réalisation d'éléments cathodiques flottants individuels, chaque élément actif de TiB₂ étant muni de son propre flotteur.

Les figures 14 et 15 représentent une application de éléments cathodiques flottants à des cuves d'électrolyse à sortie cathodique par le haut, dans lesquelles le courant est collecté dans la nappe d'aluminium.

[0021] Sur la figure 1, l'élément cathodique actif en TiB₂ (1) est formé par une tête plate ou légèrement bombée et une queue (2) qui est positionnée dans les orifices (3) d'un support intermédiaire inerte (4) en graphite. La densité moyenne de l'ensemble cathodique ainsi constitué est inférieure à celle de l'aluminium liquide. Les têtes des plots (1) sont, en fonctionnement normal, au voisinage de l'interface nappe d'aluminium-électrolyte.

[0022] L'élément cathodique (1) peut reposer directement sur l'orifice (3) ou être muni de bossage (5) ou d'ailettes (6) qui ménagent un intervalle favorisant l'écoulement de l'aluminium liquide au fur et à mesure de sa production (fig. 2 et 3).

[0023] Les figures 4 et 5 montrent un autre mode de réalisation dans lequel l'élément cathodique flottant (7) est ancré au substrat cathodique (8) par des plots (9). La tête (10) du plot d'ancrage coopère avec un redent (11) du support intermédiaire (7) pour assurer une butée qui limite sa course vers le haut. Les éléments cathodiques actifs (12) sont constitués par des tronçons de tubes fendus (13) et enfilés sur un rail (14), laissant entre eux un espace libre suffisant pour l'écoulement de l'aluminium produit. Ces tubes peuvent avoir une section circulaire, carrée ou autre.

[0024] Dans le cas de la figure 5, on a fixé le rapport masse de graphite/masse de TiB₂ de façon telle que la densité moyenne de l'ensemble soit inférieure à la densité de l'électrolyte si bien que l'élément cathodique flottant est, normalement, en butée haute.

[0025] Dans l'un et l'autre cas, la course de l'élément flottant, déterminée par la position de la butée et la hauteur du plot d'ancrage, doit être au moins égale aux variations de hauteur de la nappe d'aluminiums liquide en cours d'électrolyse et de soutirage du métal.

[0026] De façon générale, les éléments actifs en TiB₂ (12) doivent dépasser l'interface (15) d'au moins 10 millimètres.

[0027] En outre, on prend soin d'avoir un plateau conducteur (7) assez épais pour être toujours assuré que sa base baigne dans le métal quelles que soient les variations de hauteur de celui-ci. C'est, en effet, ce plateau et non les plots d'ancrage (9) qui transmettront le courant au substrat cathodique carboné (8) par l'intermédiaire de la nappe (16) de métal produit. Il importe de souligner que, dans tous les cas, ce sont les éléments en TiB₂ qui jouent le rôle de cathode et c'est sur eux que s'effectue le dépôt d'aluminium produit par l'électrolyse.

[0028] La figure 6 montre une autre variante de réalisation dans laquelle l'élément cathodique flottant est constitué par un plateau (17) en graphite revêtu de diborure de titane en revêtement mince (18) effectué par dépôt chimique en phase vapeur ou projection au chalumeau à plasma. Le plateau flottant est retenu au fond par un bloc dense (19) en béton réfractaire, résistant à l'action de l'aluminium liquide (16) reposant sur le substrat cathodique (9). De préférence, le bloc dense (19) est muni de canaux (20) pour assurer la circulation de l'aluminium et le passage du courant.

[0029] Dans le cas de la figure 1, ou de structures analogues à celle des figures 6 et 8, la structure flottante peut comporter des moyens de guidage tels que le des rouleaux (21) qui coopèrent, par exemple, avec les pieds supports (22). Ces rouleaux peuvent être constitués, par exemple, en TiBz ou nitrure de silicium ou oxynitrure de silicium et d'aluminium (Sialon). Dans le cas de la figure 8, le support réfractaire (24) est intégralement noyé dans le métal. Le support perforé (25), qui maintient les plots (1) de TiBz a une densité inférieure à la densité du bain d'électrolyse: c'est par exemple du graphite, éventuellement protégé par un dépôt mince d'un réfractaire tel que le diborure de titane ou le Sialon.

[0030] L'avantage de cette disposition est que l'ensemble du support perforé + plots TiB₂ peut s'effacer intégralement dans le support réfractaire dense en cas de poussée vers le bas (cas d'une anode qui serait trop abaissée). Il faut donc avoir e₁ 5 ez.

[0031] Si la densité moyenne de l'ensemble support perforé + plots de TiBz est inférieure à celle du bain, le support perforé reste en permanence en butée haute. Si cette densité moyenne est comprise entre celle du bain et celle du métal, le support perforé suit les variations de niveau du métal au cours de l'électrolyse.

[0032] La figure 9 donne le détail de construction du support réfractaire dense (24) de la figure 8 avec des butées hautes (25) et basses (26). L'une de ses faces peut comporter une paroi amovible (27). La mise en place ou le retrait de telles parois permet de diriger et de contrôler la circulation du métal et du bain sous l'effet des forces électromagnétiques.

[0033] Les figures 10 à 13 représentent la troisième variante de mise en oeuvre selon laquelle chaque élément en TiBz est associé à un flotteur en graphite. L'élément actif cathodique en TiB₂ (30) est enchassé dans une bague en graphite (31). Un support intermédiaire (32) en matériau inerte fait office de butée haute pour la bague en graphite (31). Ce support intermédiaire vienten appui sur le substrat cathodique par des pieds ou supports non représentés, qui n'appellent aucun commentaire particulier.

[0034] Sur la figure 11, l'élément en TiBz (33) est une plaque fixée par la vis (34) sur le flotteur (35) en graphite. La fixation peut être effectuée par tout autre moyen équivalent.

[0035] Sur les figures 12 et 13, le flotteur en graphite (36) comporte un puits (37) fermé en sa partie basse et rempli d'aluminium liquide. Les éléments (38) en TiBz s'appuient sur le flotteur en graphite par des ailettes ou nervures (39). La forme en »cuvette« de l'élément (40) sur la figure 13 favorise le rassemblement de l'aluminium liquide produit et son écoulement par les canaux (41

[0036] Bien entendu, dans toutes les réalisations décrites, le rapport: masse de l'élément en TiB_2/ masse de l'élément de graphite doit être déterminé, compte-tenu de la densité de l'un et de l'autre, pour obtenir une densité moyenne résultante, soit comprise entre 2,3 et 2,2, soit inférieure à 2,2 et, de préférence, à 2,1, dans l'intervalle de température habituel de 930 à 960°C. Ces valeurs de densités seraient à adapter si l'on utilisait un électrolyte ayant une densité quelque peu différente par suite d'une composition modifiée.

[0037] Par ailleurs, en vue d'alléger les dessins, le système anodiquè n'a pas été représenté, mais il est bien évident qu'il fait face à la partie supérieure des éléments actifs en TiB₂, et qu'il est conforme à l'état actuel de la technique.

Avantages procures par l'invention

[0038] Outre les avantages bien connus procurés par les éléments cathodiques en TiB₂ très bons conducteurs électriques et mouillables par l'aluminium liquide, la présente invention offre de nombreux avantages qui permettent de transposer au stade industriel une technique qui était jusqu'à présent, restée expérimentale.

[0039] Les plots en TiB₂, individuellement, et surtout, groupés en ensembles, peuvent être facilement remplacés et leur caractère flottant les rend moins vulnérables aux chocs mécaniques d'exploitation: dans le cas de la figure 8, par exemple, en cas de choc à la mise en place ou à l'enlèvement d'une anode, les éléments flottants (25) peuvent s'effacer dans le bloc de béton dense (24) assurant l'ancrage. La hauteur du métal sous-jacent peut être maintenue à une valeur suffisante pour réduire les courants horizontaux et les perturbations électromagnétiques correspondantes à une valeur acceptable, et le prélèvement périodique du métal peut être effectué comme dans une cellule d'électroluse classique.

[0040] Les boues d'alumine, qui risquent de se former, décantent au fond du creuset, sous le métal, épargnant ainsi la surface des éléments flottants sur le métal. Ce dispositif permet une transformation aisée des cuves classiques, en cuves à éléments en TiB₂.

[0041] Mais, en plus, l'invention permet d'envisager une conception nouvelle de cuves d'électrolyse, dans lesquelles l'ensemble du garnissage, y compris le fond, est réalisé en matériau réfractaire, non-conducteur, et le courant cathodique est collecté dans la nappe d'aluminium liquide par un conducteur situé à la partie supérieure de la cuve d'électrolyse.

[0042] Sur les figures 14 et 15, on a représenté le schéma d'une telle cuve, avec le caisson métallique externe (42), le garnissage thermiquement isolant (43), le garnissage réfractaire et électriquement isolant (44), la nappe d'aluminium liquide (45); l'élément cathodique (46), objet de l'invention, est du type décrit sur la figure 7, l'électrolyte (47) les anodes (48) et les arrivées de courant anodique (49) (croisillon).

[0043] Le courant cathodique est collecté par un élément (50) comportant un collecteur vertical (51) bon conducteur électrique, éventuellement protégé de la corrosion par un gainage isolant (52) et dont l'extrémité est coiffée par un capuchon (53) en TiB₂.

[0044] On pourrait craindre que, dans cette disposition, le courant horizontal parcourant la nappe de métal n'y induise des mouvements inacceptables du métal. Mais, en fait, ces mouvements sont fortement atténués par les parois des dispositifs d'ancrage et de guidage des éléments cathodiques. En outre, on constate que les éléments cathodiques flottants agissent comme un véritable diaphragme entre la nappe d'aluminium liquide et les anodes, ce qui exclut toute influence néfaste de ces mouvements de métal sur le rendement Faraday, en s'opposant au transport par convection, vers l'anode, d'espèces métalliques ou partiellement réduites, en particulier d'aluminium et de sodium.

[0045] On peut ainsi, dans une disposition telle que celle de la figure 15, gagner une grande partie de la chute de tension dans les blocs cathodiques classiques (environ 400 millivolts), et une partie de la chute de tension (environ 100 mV) dans les conducteurs de liaison de cuve à cuve (54) qui sont sensiblement raccourcis, avec une diminution corrélative de l'investissement correspondant à ces conducteurs.

Revendications

1. Elément cathodique flottant destiné à la production électrolytique d'aluminium par le procédé Hall-Héroult dans une cuve d'électrolyse comportant un bain à base de cryolithe fondue, entre une anode carbonée, et une nappe cathodique d'aluminium fondu, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément cathodique actif (1), en diborure de titane, supporte par un support intermédiaire (4) inerte vis-à-vis de l'aluminium liquide et de l'électrolyte, la densité moyenne de l'ensemble élément cathodique actif (1)-support intermédiaire inerte (4) étant inférieure à la densité de l'aluminium liquide (16) dans les conditions normales d'exploitation de la cuve d'électrolyse.

2. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa densité moyenne est inférieure à la densité de l'aluminium liquide et à la densité du bain d'électrolyse à base de cryolithe fondue, dans les conditions normales d'utilisation de la cuve d'électrolyse.

3. Elément cathodique flottant, selon la revendication 1, caractérisé en ce que sa densité moyenne est comprise entre la densité de l'aluminium liquide et la densité du bain d'électrolyse à basse de cryolithe fondue, dans les conditions normales d'utilisation de la cuve d'électrolyse.

4. Cuve pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, selon le procédé Hall-Héroult, dont le fond, qui supporte la nappe d'aluminium liquide, est constitué par un substrat cathodique (8) et comportant des éléments cathodiques flottants selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits éléments cathodiques flottants comportent des moyens de butée (11) qui coopérent avec des moyens de butées (10) liés à des moyens d'ancrage (9) au substrat cathodique (8) en vue de limiter l'amplitude des déplacements des éléments cathodiques flottants, dans le sens vertical.

5. Cuve pour la production d'aluminium, selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'elle comporte une pluralité d'éléments cathodiques actifs (1) associés à un support intermédiaire inerte (4).

6. Cuve pour la production d'aluminium selon la revendication 4, caractérisée en ce que chaque élément cathodique actif (1) est associé, individuellement, à un support intermédiaire inerte (31

7. Cuve, pour la production d'aluminium, selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le support inerte intermédiaire (4) est en graphite.

8. Cuve, pour la production d'aluminium, selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le courant cathodique est prélevé directement dans la nappe d'aluminium liquide (45) par au moins un collecteur (51) disposé à la partie supérieure de la cuve d'électrolyse.

9. Cuve, pour la production d'aluminium, selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le fond de ladite cuve, au contact de la nappe d'aluminium liquide (45), est constitué en un matériau peu ou pas conducteur du courant électrique.

Ansprüche

1. Schwimmendes Kathodenelement zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse nach dem Hall-Hérault-Verfahren in einem Elektrolysegefäß, in dem sich zwischen einer karbonisierten Anode und einer kathodischen Schicht aus geschmolzenem Aluminium ein Elektrolytbad auf der Basis von geschmolzenem Kryolith befindet, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens ein aktives Kathodenelement (1) aus Titandiborid aufweist, das von einem gegenüber flüssigen Aluminium und gegenüber dem Elektrolyten inerten Zwischenträger (4) getragen wird, wobei die mittlere Dichte der Anordnung aus dem aktiven Kathodenelement (1) und dem inerten Zwischenträger (4) unter normalen Betriebsbedingungen des Elektrolysegefäßes kleiner ist als die Dichte des flüssigen Aluminiums (16).

2. Schwimmendes Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen mittlere Dichte unter normalen Betriebsbedingungen des Elektrolytgefäßes kleiner ist als die Dichte des flüssigen Aluminiums und die Dichte des Elektrolytbades auf der Basis von geschmolzenem Kryolith.

3. Schwimmendes Kathodenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen mittlere Dichte unter normalen Betriebsbedingungen des Elektrolysegefäßes zwischen der Dichte des flüssigen Aluminiums und der Dichte des Elektrolytbades auf der Basis von geschmolzenem Kryolith liegt.

4. Gefäß zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse von in geschmolzenem Kryolith gelöstem Aluminiumoxid nach dem Hall-Héroult-Verfahren, dessen Boden, auf dem die Schicht aus flüssigem Aluminium ruht, aus einem kathodischen Träger (8) besteht und das schwimmende Kathodenelemente nach einem der Ansprüche 1-3 aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmenden Kathodenelemente Anschläge (11) aufweisen, die mit Anschlägen (10) zusammenwirken, die mit auf dem kathodischen Träger (8) angeordneten Verankerungsgliedern (9) verbunden sind, um die Auslenkungsamplitude der schwimmenden Kathodenelemente in vertikaler Richtung zu begrenzen.

5. Gefäß zur Herstellung von Aluminium nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mehrere einem inerten Zwischenträger (4) zugeordnete aktive Kathodenelemente (1).

6. Gefäß zur Herstellung von Aluminium nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes aktive Kathodenelement (1) einzeln einem inerten Zwischenträger (31) zugeordnet ist.

7. Gefäß zur Herstellung von Aluminium nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß der inerte Zwischenträger (4, 31) aus Graphit besteht.

8. Gefäß zur Herstellung von Aluminium nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenstrom direkt in der Schicht (45) aus flüssigem Aluminium mit mindestens einem im oberen Bereich des Elektrolysegefäßes angeordneten Stromabnehmers (51) abgegriffen wird.

9. Gefäß zur Herstellung von Aluminium nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Schicht (45) aus flüssigem Aluminium in Berührung stehende Boden des Gefäßes aus einem schwach- oder nichtstromleitenden Material besteht

Claims

1. A floating cathodic element intended for the electrolytic production of aluminium by means of the Hall-Héroult process in an electrolysis tank comprising a molten cryolite-base bath between a carbonaceous anode and a cathodic layer of molten aluminium, characterised in that it comprise at least one active cathodic element (1) of titanium diboride, which is supported by an intermediate carrier (4) which is inert respect to the liquid aluminium and the electrolyte, the mean density of the assembly of the active cathodic element (1) and the inert intermediate carrier (4) being lower than the density of the liquid aluminium (16) under the normal conditions of operation of the electrolysis tank.

2. A floating cathodic element according to claim 1 characterised in that its mean density is lower than the density of the liquid aluminium and the density of the molten cryolite-base electrolytic bath, under the normal conditions of use of the electrolysis tank.

3. A floating cathodic element according to claim 1 characterised in that its mean density is between the density of the liquid aluminium and the density of the molten cryolite-base electrolytic bath under the normal conditions of use of the electrolysis tank.

4. A tank for the production of aluminium by the electrolysis of alumina which is dissolved in molten cryolite, in accordance with the Hall-Héroult process, wherein the bottom which supports the layer of liquid aluminium is formed by a cathodic substrate (8) and comprising floating cathodic elements according to any one of claims 1 to 3 characterised in that said floating cathodic elements comprise abutment means (11) which cooperate with abutment means (10) connected to means (9) for anchoring to the cathodic substrate for limiting the amplitude of the movements of the floating cathodic elements in the vertical direction.

5. A tank for the production of aluminium according to claim 4 chartacterised in that it comprises a plurality of active cathodic elements associated with an inert intermediate carrier (4).

6. A tank for the production of aluminium according to claim 4 characterised in that each active cathodic element (1) is individually associated with an inert intermediate carrier (31).

7. A tank for the production of aluminium according to any one of claims 4 to 6 characterised in that the inert intermediate carrier (4) is of graphite.

8. A tank for the production of aluminium according to any one of claims 4 to 7 characterised in that the cathodic current is taken off directly from the layer of liquid aluminium (45) by means of at least one collector (51) disposed in the upper part of the electrolysis tank.

9. A tank for the production of aluminium according to any one of claims 4 to 8 characterised in that the bottom of said tank, in contact with the layer of liquid aluminium (45), comprises a material which is a nonconductor or a poor conductor of electrical current.

Dessins