[0001] L'invention concerne le domaine de la production d'aluminium par électrolyse ignée,
et plus particulièrement la gestion de certaines étapes du fonctionnement de telles
installations.
[0002] Elle concerne plus particulièrement une unité de collecte des parties solides, en
suspension ou non dans le bain d'électrolyse, et notamment des blocs d'anodes dégrafés
de la tige sur laquelle elles sont fixées, mais également de nettoyage et de calibrage
de l'orifice laissé vacant par l'anode remplacée.
[0003] De manière connue, la production d'aluminium par électrolyse ignée met en oeuvre
l'électrolyse de l'aluminium dans un bain de cryolithe fondu selon la réaction :

[0004] Cette réaction met en oeuvre un bain en fusion comprenant un mélange de cryolithe
et d'alumine, et dont la température est généralement supérieure à 800°C. Compte-tenu
des énergies mises en oeuvre et afin de limiter au maximum les pertes inhérentes aux
phases de redémarrage, les installations mettant en oeuvre cette technologie fonctionnent
en général en continu, au niveau de séries de cuves d'aluminium, dont le nombre et
les dimensions sont fonction d'une part, de l'ampérage disponible du courant électrique
continu alimentant les cuves, et d'autre part, de la quantité de production souhaitée.
[0005] Régulièrement, il convient de procéder au remplacement des différentes anodes, le
plus souvent réalisées en carbone, au niveau de chacune des cuves, sans pour autant
arrêter la réaction d'électrolyse.
[0006] De par le procédé mis en oeuvre, à savoir l'électrolyse ignée, il se forme à la surface
supérieure du bain une croûte dure de cryolithe fluorée et d'alumine, cette croûte
présentant l'avantage de conserver la chaleur au sein du bain et donc de constituer
une enveloppe calorifuge. De fait, l'extraction des anodes usées hors du bain nécessite
en premier lieu la rupture de cette croûte. Cette rupture engendre la formation de
morceaux ou parties solides surnageant ou en suspension dans le bain d'électrolyse,
et qu'il est nécessaire de collecter au moyen d'un outil traditionnellement dénommé
« pelle ».
[0007] Cette pelle doit également préparer l'espace, et les conditions nécessaires à l'introduction
d'une anode neuve en lieu et place de l'anode usée à remplacer. Cette préparation
consiste également à calibrer l'espace nécessaire à la mise en place d'une telle anode
neuve. En effet, l'érosion de la section généralement rectangulaire du carbone constitutif
de l'anode, induit de fait la réduction de ladite section par rapport à une anode
neuve, notamment du fait de la disparition progressive des parties angulaires, qui
deviennent arrondies.
[0008] Cette transformation est inhérente à la consommation du carbone constitutif des anodes,
par le processus d'électrolyse mis en oeuvre. L'espace ainsi dégagé entre les blocs
de carbone constitutifs des anodes est occupé par du bain qui se solidifie en surface
et forme la croûte précitée, dont la rupture est nécessaire pour permettre d'une part,
le retrait de l'anode usée, et d'autre part, la mise en place d'une nouvelle anode.
[0009] Ainsi, lors de l'enlèvement de l'anode usée, les croûtes qui adhèrent à celles-ci
sont préalablement brisées au moyen d'un outil approprié, appelé piqueur de croûte,
et des morceaux de croûte plus ou moins gros, tombent dans le bain, flottent à la
surface de celui-ci et partant, empêchent la mise en place d'une anode neuve.
[0010] Par ailleurs, des blocs de carbone plus ou moins volumineux, peuvent également flotter
dans le bain, suite à l'opération d'arrachage proprement dit de l'anode.
[0011] Enfin, sur la surface de la cathode, c'est à dire le fond de la cuve, se déposent
des boues provenant du bain électrolytique, que l'on souhaite enlever car celles-ci
augmentent la résistance électrique et partant, réduisent le rendement de production
de la cuve.
[0012] La pelle remplit donc une fonction de collecte d'une part, de nettoyage d'autre part,
et enfin de calibrage. Afin d'assurer ces différentes fonctions, il est connu de mettre
en oeuvre des godets articulés, dont l'actionnement induit le rapprochement de leurs
lèvres ménagées au niveau de leur bord libre, et partant, la constitution d'une pelle.
Or, ces godets sont articulés sur un châssis, de sorte que l'actionnement de l'embiellage
traditionnellement mis en oeuvre pour assurer la fermeture des godets, induit le rapprochement
des deux lèvres l'une de l'autre, ces dernières décrivant un arc de cercle dont la
concavité est dirigée vers le haut.
[0013] Comme les lèvres sont destinées à assurer un raclage doux du fond de la cuve, c'est
à dire de la cathode, et compte-tenu en outre du poids des godets, de leur mécanisme
d'actionnement, et de manière générale du poids de la pelle, ce mouvement circulaire
est susceptible de détériorer cette cathode et partant, la cuve elle-même.
[0014] De fait, et afin d'éviter une telle détérioration, le positionnement en altitude
des pelles traditionnelles est choisie de telle sorte que lorsque le godet est fermé,
les lèvres affleurent le fond de la cathode. En d'autres termes, les lèvres ne peuvent
assurer un raclage efficace du fond de la cuve qu'au seul niveau de leur zone de fermeture,
si bien qu'à la longue, il est nécessaire de vidanger les cuves pour assurer un nettoyage
effectif de celle-ci, se traduisant donc pas un arrêt de l'installation, faute de
quoi, on aboutit à une baisse significative du rendement desdites installations.
[0015] Par ailleurs, la pelle étant destinée à fonctionner en milieu hostile et agressif
(température du bain électrolytique voisine de 800 °C, vapeurs fluorées très acides,
etc..), il n'est pas concevable de faire appel à des capteurs pour gérer la course
de la pelle en altitude, en fonction du degré de fermeture des godets.
[0016] L'objet de l'invention est de s'affranchir de ces inconvénients. Elle vise une unité
de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse, et plus précisément
des orifices anodiques lors du remplacement des anodes, qui permet tout à la fois
d'assurer un calibrage de ces orifices, la collecte des déchets inhérents à la rupture
de la croûte qui se constitue à la surface du bain, et par ailleurs, et le nettoyage
du fond de la cuve par raclage.
[0017] Cette unité comprend deux godets articulés au niveau de l'extrémité inférieure d'un
châssis, mobile en translation verticale, le bord libre de chacun desdits godets étant
susceptible d'être animé d'un mouvement circulaire au moyen d'un embiellage de fermeture
et d'ouverture.
[0018] Selon l'invention, l'unité comprend un premier châssis, solidarisé à un mât à translation
verticale, dénommé châssis support de pelle, et un second châssis, dénommé châssis
support des godets, relié mécaniquement audit châssis support de pelle, et susceptible
de se translater par rapport à celui-ci, ledit châssis support des godets intégrant
l'embiellage de fermeture et d'ouverture des godets, lesdits godets étant articulés
à l'extrémité inférieure de ce châssis.
[0019] En d'autres termes, l'invention consiste à adjoindre au support traditionnel des
outils proprement dits constitutifs de la pelle, un châssis lié audit support, mais
néanmoins mobile par rapport à celui-ci, cette mobilité étant destinée à permettre
la réalisation d'un mouvement simultané avec l'opération de fermeture des godets,
et propre à compenser le mouvement circulaire des lèvres desdits godets, de telle
sorte à conférer aux lèvres, un mouvement sensiblement rectiligne, parallèle au plan
du fond de la cuve.
[0020] Ce faisant, on confère à la pelle l'une des fonctions pour laquelle elle est requise,
à savoir l'opération du raclage du fond de cuve.
[0021] Selon une caractéristique de l'invention, l'embiellage de fermeture des godets comprend
une bielle de transmission d'efforts, dont l'une des extrémités est articulée directement
ou indirectement sur lesdits godets, afin de conférer à leur bord inférieur libre
un mouvement circulaire lors de la fermeture de la pelle, et dont l'autre extrémité
est articulée sur une bielle rotative, elle-même articulée sur le châssis support
des godets, ladite bielle rotative étant reliée mécaniquement au châssis porte-pelle
au moyen d'une bielle de compensation, et étant par ailleurs actionnée en rotation
au moyen d'un vérin d'actionnement, dont le point d'application est solidaire du châssis
support des godets.
[0022] Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on sous-dimensionne le vérin
d'actionnement au moyen d'un ressort taré, prenant appui sur le châssis porte-pelle,
et susceptible de reprendre au niveau du corps du vérin, une partie des efforts, et
notamment la compensation de la masse constituée par l'ensemble mobile, c'est à dire
l'embiellage de fermeture des godets et les godets eux-mêmes. Ce ressort peut être
remplacé par un organe équivalent, tel que par exemple un contrepoids guidé associé
à un câble et une poulie de renvoi.
[0023] La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent
ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et
non limitatif à l'appui des figures annexées.
[0024] La figure 1 est une représentation schématique vue de face d'une installation de
production d'aluminium par électrolyse ignée, sur laquelle on a représenté l'unité
de collecte et de nettoyage conforme à l'invention, en position non opérationnelle.
La figure 2 est une vue latérale plus détaillée de ladite unité, toujours en position
non-opérationnelle.
[0025] La figure 3 est une vue analogue à la figure 2, mais l'unité de collecte étant en
position opérationnelle.
Les figures 4, 5 et 6 sont des représentations schématiques de détail de ladite unité,
les godets étant respectivement en position complètement ouverte, intermédiaire et
complètement fermée.
[0026] On a représenté au sein de la figure 1, une vue schématique vue de face, du hall
(1) d'une installation de production d'aluminium, mettant en oeuvre la technologie
dite de l'électrolyse ignée.
[0027] On a représenté par la référence (7), le front d'une série de cuves d'électrolyse,
sensiblement identiques les unes aux autres, et bien évidemment montées en série,
afin de permettre la réalisation du processus de l'électrolyse proprement dite. Ces
cuves sont surmontées d'un chemin de roulement (3), sur lequel est susceptible de
se déplacer un pont roulant (2), destiné de manière connue, à permettre le déplacement
d'un certain nombre d'outils propres à permettre le fonctionnement de l'installation.
[0028] Il est notamment destiné à permettre le déplacement selon une direction perpendiculaire
à la direction de progression du pont, d'un chariot (4), reposant sur le pont (2),
ledit chariot portant un outil destiné à permettre le nettoyage de chacune des cuves,
et la préparation de celles-ci lors des phases de remplacement des anodes usées au
niveau desdites cuves.
[0029] Dans le langage traditionnel utilisé dans le domaine considéré, cet outil est dénommé
« pelle ».
[0030] Sur la figure 1, on a représenté par la référence générale (6) la pelle proprement
dite, en position escamotée, c'est à dire non opérationnelle.
[0031] En relation avec les figures 2 et 3, dans lesquelles l'outil est représenté en position
latérale, on a matérialisé la pelle (6) respectivement en position escamotée, donc
non opérationnelle, et en position opérationnelle.
[0032] Ainsi qu'on peut l'observer, cet outil est monté sur un mat télescopique (5), si
la course de la pelle le nécessite, ledit mât étant actionné au moyen d'un système
de levage électro-mécanique, hydraulique ou pneumatique (32). Ce mât télescopique
(5) est solidaire du chariot (4), et fonctionne en association avec des organes codeurs
(non représentés), propres à déterminer de manière précise l'altitude de la pelle,
et notamment des godets (16, 17) qui la constituent.
[0033] En effet, ainsi que déjà mentionné en préambule de la présente invention, il convient,
au moyen de cet outil, de remplir un certain nombre de fonctions, mais cependant,
d'éviter l'altération de la cathode constituée par le fond des cuves électrolyse.
On doit donc disposer en permanence de la hauteur effective desdits godets, d'une
part lors de l'approche de la pelle (6) au niveau de l'ouverture supérieure des cuves,
définissant une zone d'introduction, et d'autre part, lorsque les godets sont situés
à l'intérieur desdits cuves.
[0034] A l'extrémité du mat télescopique (5) est solidarisé un premier châssis (10), dénommé
châssis porte pelle. Selon une caractéristique de l'invention, ce châssis (10) est
associé à un châssis (11), dénommé par la suite, châssis support des godets, au moyen
de deux biellettes, respectivement (12) et (13), positionnées dans l'exemple décrit,
à l'extrémité inférieure et supérieure desdits châssis.
[0035] Ces biellettes sont articulées respectivement au niveau du châssis (10) et (11),
selon des axes d'articulation parallèles entre eux.
[0036] Elles sont destinées à permettre un mouvement relatif du châssis support des godets
(11) par rapport au châssis porte-pelle (10), ainsi que cela sera décrit de manière
beaucoup plus détaillée ci-après.
[0037] Ainsi qu'on peut l'observer sur les figures 2 et 3, l'extrémité du châssis support
des godets (11) reçoit les deux godets (16) et (17), constitutifs de la pelle (6)
proprement dite, et dont l'écartement maximum, tel que représenté en figure 3, correspond
sensiblement à l'encombrement généré par une anode neuve.
[0038] Une telle anode a été représentée sur les figures 2 et 3 par la référence (20). La
tige (21) de l'anode est fixée au cadre anodique (33), alimentant de manière connue
lesdits anodes en électricité, moyen de connecteurs (non représentés). Les anodes
(20) s'usent au cours du processus électrolytique, nécessitant de fait leur remplacement
périodique.
[0039] On a représenté en relation avec les figures 4, 5 et 6 les différents organes entrant
dans la constitution de la pelle (6) ainsi que leur mode de fonctionnement.
[0040] Tout d'abord, il convient de préciser que les godets (16) et (17) sont chacun articulés
sur le châssis support des godets (11), au niveau d'un axe d'articulation (30). De
la sorte, le bord (31) constituant lèvre, de chacun des godets, est susceptible de
par cette articulation, de décrire un mouvement circulaire par rapport audit axe (30).
[0041] Pour ce faire, un embiellage de fermeture (14), relié par le biais d'une bielle (23)
articulée au niveau d'un axe d'articulation (15) à une bielle rotative d'actionnement
(18), permet d'assurer le mouvement de chacun des godets (16) et (17), ainsi qu'on
peut bien l'observer en liaison avec les figures 4 à 6.
[0042] En d'autres termes, l'embiellage de fermeture est constitué d'une part, par la bielle
intermédiaire (23), et d'autre part, par deux biellettes (14, 14'), articulées respectivement
sur les godets (16) et (17), et à l'extrémité inférieure de la bielle intermédiaire
(23). Dans l'exemple décrit, la biellette (14') est de forme arquée, afin de tenir
compte des obstacles qu'elle est susceptible de rencontrer durant sa course.
[0043] L'autre extrémité de la bielle intermédiaire (23) est articulée par un axe d'articulation
(22) sur la bielle rotative d'actionnement (18) présentant un profil particulier.
[0044] En effet, cette bielle présente une forme sensiblement triangulaire et présente notamment
trois branches, à l'extrémité desquelles sont articulés trois organes différents.
Ainsi que déjà mentionné, à l'extrémité de la première branche est articulée l'extrémité
de la bielle intermédiaire (23) agissant sur l'embiellage de fermeture (14).
[0045] La branche opposée reçoit l'extrémité libre de la tige d'un vérin d'activation (25),
articulée sur un axe d'articulation (24) ménagé à l'extrémité de ladite branche. Le
vérin (25) est destiné à assurer la rotation de la bielle rotative d'activation (18),
par rapport à son axe d'activation (19). Cet axe (19) est solidaire du châssis support
des godets (11). Le point d'application de ce vérin est solidaire du châssis support
des godets (11).
[0046] En outre, afin de limiter le dimensionnement des organes constitutifs du vérin (25),
compte tenu des efforts à réaliser d'une part, et du poids des deux godets (16) et
(17) et de l'embiellage de fermeture (14, 14', 23) d'autre part, on lui associe un
ressort taré (29), reposant sur le châssis porte-pelle (10), et solidarisé au corps
dudit vérin (25). Plus précisément, le ressort (29) est monté sur une rotule (34),
solidaire du châssis porte-pelle (10). De la sorte, il est possible au ressort de
basculer, pour suivre la course du corps du vérin, celui-ci pivotant également compte
tenu de sa solidarisation à l'extrémité de l'une des branches de la bielle rotative
(18). On peut tout particulièrement bien observer ce mouvement de basculement sur
les figures 4 à 6, en fonction du degré de rotation de ladite bielle (18). De fait,
l'action du ressort (29) est toujours optimum.
[0047] Le vérin (25) est actionné au moyen d'une source pneumatique d'air comprimé (non
représentée) s'étendant à l'intérieur du mat télescopique (5).
[0048] Enfin, à l'extrémité libre de la troisième branche de la bielle rotative d'activation
(18), s'étendant sensiblement perpendiculaire aux deux premières, vient s'articuler
sur un axe (26) une bielle dite de compensation (27), dont l'autre extrémité vient
s'articuler sur un axe (28) ménagé sur le châssis porte-pelle (10).
[0049] Il va être décrit plus en détail le mode de fonctionnement de cette pelle, conformément
à l'invention.
[0050] En figure 4, les godets (16, 17) sont en position ouverte maximum. Selon cette configuration,
le plan contenant la lèvre (31) du dit godet (17) s'étend sensiblement perpendiculairement
par rapport au fond de la cathode, c'est à dire de la cuve.
[0051] La course du vérin d'activation (25) est alors maximum et, corollairement, l'embiellage
de fermeture (14, 14', 23) a atteint son niveau de sa course minimum inférieure.
[0052] Parallèlement, les deux bielles (12) et (13), solidarisant le châssis support des
godets (11) au châssis porte-pelle (10) sont sensiblement horizontales.
[0053] Lorsque l'on active le vérin activateur (25), on engendre une rotation de la bielle
rotative d'activation (18) selon le sens des aiguilles d'une montre, sur la figure
5, provoquant tout d'abord, un commencement de remontée de la bielle intermédiaire
(23), et partant de l'embiellage de fermeture (14, 14') vers le haut, se traduisant
par un début de fermeture des godets. Corollairement, cette action induit la rotation
dans le sens trigonométrique de la bielle de compensation (27), jusqu'à atteindre
sa hauteur maximum représentée en figure 5.
[0054] Compte tenu de l'articulation de ladite bielle de compensation (27) sur le châssis
porte-pelle (10), cette rotation engendre une translation vers le haut du châssis
support des godets (11), ainsi que cela se matérialise sur la figure 5 par l'inclinaison
des bielles (12) et (13) de solidarisation dudit châssis support des godets (11) sur
le châssis porte-pelle (10).
[0055] Cette translation vers le haut du châssis support des godets (11) engendre corollairement
la remontée de la lèvre (31) des godets (16) et (17). De sorte que nonobstant la course
circulaire desdites lèvres, on peut aboutir à un déplacement de celle-ci selon un
plan horizontal, sensiblement parallèle au fond de la cuve, en jouant sur la compensation
exercée par le déplacement relatif du châssis support des godets (11) par rapport
au châssis porte-pelle (10).
[0056] Lorsque la course du vérin (25) est terminée (figure 6), les deux godets (16) et
(17) viennent au contact l'un de l'autre, notamment au niveau de leur lèvre respective
(31), assurant ainsi la fermeture de la pelle, et parallèlement, la fin de la rotation
de la bielle de compensation (27) dans le sens trigonométrique, cette fin étant inhérente
à la fin de course possible de la tige dans le vérin (25). Corollairement, compte
tenu de la course impartie à ladite bielle de compensation (27), une légère redescente
desdits godets, et partant des lèvres (31) est assurée.
[0057] Compte-tenu du profil particulier des godets, on compense ainsi l'arc de cercle de
concavité dirigée vers le haut, décrit par lesdites lèvres (31), par un mouvement
inverse du châssis support des godets (11), de telle sorte à conférer en résultat
final une progression relativement plane desdites lèvres (31) lors de la fermeture
de la pelle (6), et ce, au moyen de la bielle de compensation (27).
[0058] Bien évidemment, les dimensions de ces différentes bielles sont fonction du profil
particulier des godets, et des dimensions respectives des cuves.
[0059] Cela dit, ces dimensions, une fois le principe établi, sont parfaitement déterminables
par l'homme du métier.
[0060] Par ce biais, la pelle assure la fonction qui lui est assignée, à savoir notamment
la collecte des différents débris et autres morceaux provenant des anodes ou de la
croûte supérieure du bain, sans altérer la cathode, c'est à dire le fond de la cuve,
tout en permettant un raclage doux de celle-ci.
[0061] Ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif simple à mettre en oeuvre et relativement
rustique, permettant notamment de résister aux contraintes mécaniques et techniques
dans un environnement hostile dans lesquels ils sont destinés à fonctionner.
1. Unité de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse, et notamment
des orifices anodiques lors du remplacement des anodes d'une installation de production
d'aluminium par électrolyse ignée, comprenant deux godets (16, 17) articulés au niveau
de l'extrémité inférieure d'un châssis (10), mobile en translation verticale, le bord
inférieur (31) de chacun desdits godets (16, 17) étant susceptible d'être animée d'un
mouvement circulaire au moyen d'un embiellage de fermeture et d'ouverture (14, 14'),
caractérisée en ce qu'elle comprend un premier châssis (10), dénommé châssis porte-pelle, solidarisée à
un mât de guidage vertical (5), et un second châssis (11), dénommé châssis support
des godets, relié mécaniquement audit châssis porte-pelle (10), et susceptible de
se translater par rapport à celui-ci, ledit châssis support des godets (11) intégrant
l'embiellage de fermeture et d'ouverture des godets (14, 14'), lesdits godets (16,
17) étant articulés à l'extrémité inférieure de ce châssis.
2. Unité de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse selon la revendication
1, caractérisée en ce que l'embiellage de fermeture (14, 14') des godets (16, 17) comprend une bielle de transmission
d'efforts (23), dont l'une des extrémités est articulée directement ou indirectement
sur lesdits godets (16, 17), afin de conférer un mouvement circulaire à leur bord
inférieur (31) lors de l'opération de fermeture de la pelle (6), et dont l'autre extrémité
est articulée sur une bielle rotative d'actionnement (18), elle-même articulée (19)
sur le châssis support des godets (11), ladite bielle rotative (18) étant reliée mécaniquement
au châssis porte-pelle (10) au moyen d'une bielle de compensation (27), articulée
sur le châssis porte-pelle (10), ladite bielle rotative (18) étant par ailleurs actionnée
en rotation au moyen d'un vérin d'actionnement (25), dont le point d'application est
solidaire du châssis support des godets (11).
3. Unité de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse selon la revendication
2, caractérisée en ce que la bielle rotative d'actionnement (18) présente trois branches s'étendant depuis
son axe d'articulation (19) sur le châssis support des godets (11), deux des branches
étant sensiblement colinéaires, et recevant respectivement l'axe ou tige d'activation
du vérin activateur (25) et l'une des extrémités de la bielle intermédiaire (23) de
l'embiellage de fermeture (14, 14'), la troisième branche s'étendant sensiblement
perpendiculairement par rapport aux deux autres, et recevant au niveau de son extrémité
libre, l'axe d'articulation de la bielle de compensation (27).
4. Unité de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse selon l'une
des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un ressort taré (29), susceptible de reprendre au niveau du
corps du vérin activateur (25), une partie des efforts, et notamment la compensation
de la masse constituée par l'embiellage de fermeture (14, 14') des godets et les godets
(16, 17) eux-mêmes, ledit ressort étant solidaire du châssis porte pelle (10).
5. Unité de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse selon la revendication
4, caractérisée en ce que le ressort taré (29) est monté sur une rotule (34), solidarisée au châssis porte-pelle
(10), de telle sorte à lui permettre de réaliser un mouvement de basculement en parallèle
avec celui du vérin (25), lors de la rotation de la bielle rotative (18).
6. Unité de collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse selon l'une
des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le mât (5) est télescopique et actionné par un système de levage (32) électro-mécanique,
hydraulique ou pneumatique.
7. Unité de collecte et de nettoyage des cuves d'électrolyse selon l'une des revendications
1 à 6, caractérisée en ce qu'elle est montée sur un chariot (4) mobile en translation sur un pont roulant (2) se
déplaçant au dessus des cuves.