DISPOSITIF D'EXTRACTION D'UN METAL DEPOSE ELECTROLYTIQUEMENT SUR UNE CATHODE

Abstract

 La présente invention se rapporte à un dispositif pour la production d'un métal pur ou d'un alliage de ce métal par réduction électrolytique d'un minerai de ce métal ou d'une substance contenant une forme oxydée de ce métal, ledit dispositif comprenant une cellule (1) munie d'une anode (2), d'une cathode (3), d'un électrolyte (8) et d'un système amovible de fermeture de la cellule (6), caractérisé en ce que la cathode (3) est munie d'un revêtement non adhérent pour le métal déposé électrolytiquement et en ce que le dispositif comporte en outre un élément consommable (5) électriquement conducteur destiné à faciliter l'extraction d'une plaque dudit métal (4) déposée électrolytiquement sur la cathode (3), ledit consommable (5) étant disposé dans la cellule (1) dans le prolongement de la cathode (1) ou en recouvrement partiel avec celle-ci, avec contact mécanique et donc électrique à une extrémité avec la cathode (1) et dépassant de la zone électrolytique de la cellule (1), de sorte à permettre, en fonctionnement, un dépôt simultané dudit métal sur la cathode (3) et sur une partie du consommable (5') et à permettre l'extraction ultérieure hors de la cellule (1) de l'ensemble constitué par le consommable (5) et le métal déposé (4), par un moyen mécanique (7).

Description

Objet de l'invention

[0001] La présente invention se rapporte à un dispositif pour produire du fer ou d'autres métaux purs ou encore des alliages par voie électrolytique, et en particulier aux moyens utilisés pour l'extraction de plaques métalliques déposées à la cathode d'une cellule électrolytique. L'invention se rapporte également aux utilisations spécifiques du dispositif.

Arrière-plan technologique et état de la technique

[0002] Traditionnellement, la fabrication de fonte, qui est un alliage de fer et de carbone dont la teneur est supérieure à 2%, est obtenue par fusion du minerai de fer dans un haut-fourneau, en utilisant un combustible solide riche en carbone, souvent le coke et le charbon, comme agent réducteur. Une autre méthode est la réduction directe du fer (DRI) fondée sur l'utilisation du gaz naturel (méthane) en remplacement du charbon. Dans une deuxième étape, l'acier est obtenu par affinage, c'est-à-dire par décarburation de la fonte, dans un convertisseur.

[0003] Ces procédés conduisent ainsi au rejet d'importantes quantités de carbone fossile sous forme de CO₂ dans l'atmosphère.

[0004] La lutte contre les émissions à effet de serre impose à l'heure actuelle d'envisager des procédés impliquant une réduction drastique, voire la suppression, des rejets de CO₂.

[0005] Partant du constat au début des années 2000 que les besoins en acier issu de la filière primaire, à savoir le minerai, allaient augmenter, les principaux groupes sidérurgistes européens se sont associés pour préparer un programme de R&D commun, baptisé ULCOS (pour Ultra Low CO2 Steelmaking), afin d'améliorer le caractère durable de la production d'acier à partir de minerai par le biais d'une réduction des émissions de CO₂ par tonne d'acier produite d'au moins 50 %.

[0006] Une des filières prometteuses mises en place consiste dans le remplacement du monoxyde de carbone par du dihydrogène comme gaz réducteur du minerai. Le gaz composé principalement d'H₂ et CO utilisé actuellement dans les procédés de réduction directe est remplacé par du dihydrogène pur lors de la fabrication de fer « pré-réduit », qui peut être ensuite chargé dans les fours à arc électrique. Les performances en termes d'émission de CO₂ sont prometteuses, à savoir moins de 300kg CO₂ par tonne d'acier (au lieu de 1850kg avec la filière traditionnelle), dans le cas où l'hydrogène est produit par électrolyse de l'eau avec de l'électricité « verte ».

[0007] On connaît également l'électro-raffinage qui consiste à dissoudre électrolytiquement une anode en métal impur dans un bain acide ou alcalin, les ions de métal pur se déposant alors sur la cathode à l'état métallique sous l'action d'un courant électrique. Cette méthode permet de purifier des métaux comme le cuivre, le nickel, le zinc, le manganèse, etc. mais nombre d'étapes de purification sont souvent nécessaires.

[0008] Les électrodes sont généralement disposées verticalement et les dépôts sont réalisés à très basse densité de courant. La tension appliquée peut être importante, ce qui implique un rendement défavorable, du fait de la sensibilité à la distance anode/cathode. Les cathodes sont généralement revêtues sur leur deux faces avec un dépôt adhérent et sont remplacées lorsque la quantité de métal produit est suffisant. Selon une première technique, les cathodes, inertes, sont réutilisables et l'extraction, le plus souvent par grappes, est effectuée au pont roulant ou au moyen d'engins robotisés, l'extraction étant suivie du stripage, qui est l'étape de désolidarisation de la plaque métallique déposée du support cathodique grâce à des moyens mécaniques. Selon une seconde technique, la cathode est sacrificielle. Un dépôt fin d'un métal donné peut être généré dans un premier temps dans une filière parallèle sur cathode inerte et ensuite détaché pour servir lui-même de cathode dans le processus de production. Dans ce cas, la cathode est constituée exclusivement du métal souhaité.

[0009] Le procédé électrolytique est surtout intéressant pour les matériaux ne présentant qu'un état de valence (ex. Zn²⁺), mais ce n'est pas le cas du fer (Fe²⁺ et Fer³⁺). Pour ne pas perdre une part importante du rendement par bouclage Fe²⁺→ Fe³⁺ puis inversement, on pourrait utiliser des membranes séparatrices et échangeuse d'ions.

[0010] La réaction électrolytique génère des plaques de fer pur à la cathode et de l'oxygène gazeux à l'anode. Ces plaques de fer peuvent être alors fondues avec d'autres éléments ou des ferrailles dans un four électrique pour produire de l'acier.

[0011] Boston Metal (US 8,764,962 B2) a utilisé ce procédé en remplaçant une anode en carbone qui produit du CO₂ lors de la réaction par une anode inerte à base de chrome qui ne se corrode pas suite au dégagement d'oxygène. Ce procédé d'électrolyse des oxydes fondus (MOE, pour molten oxide electrolysis) rejette essentiellement de l'oxygène, et éventuellement de l'hydrogène parasite au cas où le rendement électrolytique n'est pas de 100%. Si l'électricité utilisée provient d'une source renouvelable, le procédé est décarboné.

[0012] Cette technique implique ainsi des procédés robustes et simples. Il est bien connu que le dépôt électrolytique de fer nécessite des conditions particulières pour être énergiquement efficace. Parmi les contraintes, on utilise une forte concentration de soude et une température relativement haute. D'où le besoin impératif d'avoir une cellule fermée.

[0013] De plus, pour avoir une consommation énergétique la plus faible possible, la cellule doit présenter une distance limitée entre les électrodes. La difficulté des cellules fermées est alors l'extraction du métal déposé sur la cathode, surtout pour des grandes dimensions (>1 m²), car la cathode doit rester à demeure dans la cellule. Cette extraction in situ implique aussi que les dépôts soient non adhérents ou facilement détachables des cathodes pour en faciliter au mieux l'extraction mécanique par une ouverture limitée dans la cellule.

[0014] En conclusion, la nécessité de distance réduite entre les électrodes dans l'électrolyse du minerai de fer va pratiquement empêcher une extraction mécanique de cathode et un stripage en dehors de la cellule, comme c'est le cas dans l'état de la technique. A cela s'ajoute encore la difficulté consistant à travailler en cellule fermée. Il faut d'abord trouver un moyen aisé pour ouvrir la cellule afin d'en extraire les dépôts cathodiques.

Buts de l'invention

[0015] La présente invention vise à fournir une solution permettant de s'affranchir des inconvénients de l'état de la technique.

[0016] En particulier, l'invention vise à fournir un moyen pour séparer de manière pratique et aisée les plaques de métaux déposées sur les cathodes dans les procédés de production électrolytique, cette extraction étant nécessairement in situ car elle doit tenir compte des contraintes physiques imposées à la cellule électrolytique, comme celles d'avoir une cellule fermée, sans démantèlement de la cellule, une distance anode-cathode faible pour maintenir une bonne efficacité énergétique, etc.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention

[0017] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un dispositif pour la production d'un métal pur ou d'un alliage de ce métal par réduction électrolytique d'un minerai de ce métal ou d'une substance contenant une forme oxydée de ce métal, ledit dispositif comprenant une cellule munie d'une anode, d'une cathode, d'un électrolyte et d'un système amovible de fermeture de la cellule, caractérisé en ce que la cathode est munie d'un revêtement non adhérent pour le métal déposé électrolytiquement et en ce que le dispositif comporte en outre un élément consommable électriquement conducteur destiné à faciliter l'extraction d'une plaque dudit métal déposée électrolytiquement sur la cathode, ledit consommable étant disposé dans la cellule dans le prolongement de la cathode ou en recouvrement partiel avec celle-ci, avec contact mécanique et donc électrique à une extrémité avec la cathode et dépassant de la zone électrolytique de la cellule, de sorte à permettre, en fonctionnement, un dépôt simultané dudit métal sur la cathode et sur une partie du consommable et à permettre l'extraction ultérieure hors de la cellule de l'ensemble constitué par le consommable et le métal déposé, par un moyen mécanique.

[0018] Selon des formes d'exécution préférées, le disposé est en outre limité par une des caractéristiques suivantes ou par une combinaison appropriée de plusieurs d'entre elles :

• le consommable a une longueur inférieure à 50%, préférentiellement inférieur à 10%, de la longueur de la cathode ;
• la cathode est à base de carbone, de graphite à faible rugosité, de graphite imprégné ou revêtu de bouche-pores ou de métaux purs et/ou certains de leurs alliages, éventuellement revêtus ;
• le consommable est une tôle métallique ;
• une partie du consommable en prolongement de la cathode et dépassant de la zone électrolytique est accueillie dans le système amovible de fermeture, qui est fermé en opération pour maintenir l'électrolyte dans la cellule ;
• le dispositif comporte des moyens de préhension collaborant avec le consommable ou des éléments de celui-ci pour permettre l'extraction de l'ensemble consommable/métal déposé ;
• les moyens de préhension sont des moyens de serrage tels que des pinces ou vérins, des goujons ou crochets de traction collaborant avec des trous pratiqués dans le consommable, ou encore des éléments géométriques rapportés collaborant entre eux pour assurer une traction ;
• le dispositif comprend des moyens de blocage pour maintenir le consommable et la plaque déposée en position le temps d'ouvrir la cellule et d'extraire ensuite l'ensemble plaque et consommable par les moyens de préhension, les moyens de blocage pouvant coïncider avec les moyens de préhension ;
• la cellule électrolytique est inclinée d'un angle de 20° à 60° par rapport à l'horizontale, les électrodes sont planes avec une distance inter-électrodes comprise entre 1 et 50 mm, et préférentiellement entre 6 et 20 mm, la cathode est maintenue à demeure dans le dispositif et le moyen mécanique d'extraction est configuré pour effectuer l'extraction de l'ensemble consommable/métal selon un mouvement de translation parallèle aux électrodes.

[0019] Un autre aspect de l'invention se rapporte à une utilisation du dispositif décrit ci-dessus, dans laquelle, après extraction, le consommable est soit séparé dudit métal pur ou alliage du métal déposé afin d'éviter toute pollution, soit fondu ultérieurement avec le métal déposé.

[0020] Avantageusement l'utilisation concerne le dépôt électrolytique de fer en milieu basique, où le consommable est une tôle en acier bas carbone.

[0021] Encore avantageusement l'utilisation se rapporte à l'électroraffinage du zinc, nickel ou cuivre, en milieu acide, le consommable étant respectivement une plaque en zinc, nickel ou cuivre.

Brève description des figures

[0022] La figure 1 représente schématiquement une cellule d'électroextraction de fer fermée selon un mode d'exécution de la présente invention, pendant la phase de production du dépôt métallique.

[0023] La figure 2 représente schématiquement une cellule d'électroextraction de fer ouverte selon un mode d'exécution de la présente invention, pendant la phase d'extraction de la plaque de fer.

[0024] La figure 3 représente un exemple de mode d'exécution réaliste de la présente invention comportant une cellule électrolytique avec un système amovible de fermeture et un système de récupération de la plaque de fer déposée à la cathode.

[0025] La figure 4 montre un exemple de déplacement du système amovible de fermeture de la cellule.

[0026] La figure 5 montre une vue de détail dans un exemple du système permettant l'extraction de la plaque de fer.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention

[0027] La présente invention consiste non seulement à réaliser un dépôt électrolytique métallique sur une cathode, mais aussi à co-déposer le métal de manière adhérente sur au moins une partie d'un consommable électriquement conducteur, réalisé par exemple sous forme d'une plaque en acier qui pourra être compatible pour les étapes ultérieures de fusion du métal. L'élément consommable est introduit dans la cellule électrolytique avant de commencer le dépôt et est positionné de telle sorte qu'un contact électrique avec la cathode soit assuré. Ceci permet une extraction du dépôt, celui-ci étant réalisé simultanément sur la cathode et sur le consommable, grâce à l'utilisation d'un système de préhension tel que des pinces ou éléments similaires positionnés préférentiellement sur une partie du consommable qui n'aura reçu aucun dépôt ou un dépôt très faible. La cellule sera positionnée de préférence de manière inclinée de sorte que le consommable sera situé dans une partie basse et la cathode dans une partie haute de la cellule, avec au moins une partie de consommable non recouverte par le dépôt, ce qui va permettre la saisie mécanique du consommable, lors d'une ouverture de la cellule au niveau de la partie basse, après vidange et rinçage de la cellule.

[0028] L'extraction du métal déposé est donc réalisée en retirant la partie consommable de façon concomitante avec le dépôt complet qui n'adhère pas à la cathode, de préférence grâce à un revêtement particulier de celle-ci, comme une base de carbone ou graphite à faible rugosité. L'extraction du métal se fait alors par un mouvement de translation guidé.

[0029] La plaque métal déposé/consommable est ensuite transférée sur une table qui la supporte afin d'éviter le bris de matière pendant le processus d'extraction.

[0030] Selon l'invention, la cellule peut être orientée selon un angle allant de l'horizontale à la verticale, mais préférentiellement selon un angle compris entre 20° et 60° par rapport à l'horizontale pour profiter de l'effet de la gravité et aussi afin d'en limiter l'encombrement. La cellule a de préférence une hauteur comprise entre 50 mm et 700 mm, et de préférence encore entre 100 mm et 300 mm. Sa longueur sera de 1 m à 4 m, et préférentiellement entre 1 m et 3,5 m. La largeur de la cellule sera de 1 m à 2 m, et préférentiellement de 1 m à 1,5 m.

[0031] Selon l'invention, la longueur de la partie consommable est inférieure à 50% de la longueur de la cathode, préférentiellement inférieure à 20% de celle-ci et encore préférentiellement inférieure à 10% de celle-ci. La largeur de la partie consommable doit être au moins approximativement égale à celle de la cathode avec laquelle elle est en contact.

[0032] L'épaisseur attendue pour le dépôt sera comprise entre 2 mm et 50 mm, préférentiellement entre 3 mm et 5 mm, et ce en fonction de la surface de la cathode afin de présenter une plaque de résistance suffisante pour l'extraction tout en conservant une distance minimale anode-cathode pendant toute la phase de dépôt.

[0033] La figure 1 représente schématiquement une configuration de cellule électrolytique 1, adaptée pour l'électroextraction du fer, pendant la phase de production grâce au dispositif selon l'invention.

[0034] Dans cette cellule 1, une extrémité de l'anode 2 est positionnée d'une part en face d'une partie de la cathode 3 et d'autre part en face d'une partie du consommable 5 qui jouxte ou recouvre le bord inférieur de la cathode 3, avec lequel il est physiquement en contact, ce qui assure une continuité électrique parfaite entre la cathode 3 et le consommable 5. Ces deux facteurs permettent d'obtenir un dépôt métallique 4 recouvrant non seulement la cathode 3 mais aussi une section 5' du consommable 5. Le consommable 5 est donc dimensionné pour dépasser vers le bas de la zone de la cellule qui contient l'électrolyte 8. Une partie du consommable 5 ne sera donc pas recouverte par le métal déposé electrolytiquement et la partie dépassante 5" du consommable 5 en rendra la préhension plus aisée.

[0035] Selon l'invention, la cellule électrolytique 1 est constamment fermée lors de son fonctionnement et un système amovible de fermeture 6 sert à refermer la cellule 1. La liaison entre la cellule 1 et le système de fermeture 6 est étanche pour éviter tout échappement d'électrolyte 8.

[0036] Le système selon l'invention sera conçu avantageusement pour automatiser l'extraction de la plaque de fer. Selon une forme d'exécution, une table sur glissières 7 est apte à s'approcher de la cellule 1 et à s'incliner de manière rotative selon un angle la rendant parallèle à la cellule (figure 2). Par exemple trois pinces pneumatiques 10 équipant la table 7 (figure 5) saisissent le consommable 5 et tirent celui-ci hors de la cellule. Une fois la plaque fer/consommable récupérée, la table 7 peut se remettre rotativement en position horizontale et la plaque peut être transférée ensuite sur un chariot pour être utilisée dans la prochaine étape du procédé de traitement. Selon une autre forme d'exécution, le table pourrait déjà être inclinée et venir se positionner ainsi avant de repartir. La plaque de dépôt resterait alors inclinée jusqu'à son enlèvement.

[0037] La figure 2 montre schématiquement une forme d'exécution pour l'extraction de la plaque de fer 4 à la fin du processus de production. La cellule 1 a été préalablement vidée de son électrolyte 8 pour éviter l'écoulement de celui-ci au moment de l'extraction de la plaque. Le système amovible de fermeture et de collecte 6 est par exemple déplacé selon une translation horizontale, pour permettre un accès au consommable 5 et sa récupération (voir figure 4).

[0038] Selon l'invention, il doit y avoir une adhérence différentielle significative entre la cathode et le dépôt de fer d'une part, et entre le consommable et le dépôt de fer d'autre part, la première étant inférieure à la seconde. Aussi, la cathode sera réalisée dans un matériau peu adhérent vis-à-vis du fer, tel qu'un matériau à base de carbone, de graphite à faible rugosité, de graphite imprégné ou revêtu de bouche-pores ou de métaux purs tels que l'argent ou le cuivre et certains de leurs alliages, éventuellement revêtus.

[0039] Étant donné la faible distance intra-électrodes nécessaire, lors de l'extraction, la plaque 4 ne peut pas être soulevée pour être détachée directement de la cathode 3 comme dans les méthodes de stripage de l'état de l'art. Lorsque la cellule 1 est ouverte, une partie du consommable 5 doit pouvoir en sortir par dépassement, comme indiqué ci-dessus, afin de permettre sa récupération par un système mobile 7 de préhension et récupération de la plaque, telle qu'une table. Le système amovible 6 servira ensuite à mettre en contact un nouveau consommable 5 avec la cathode 3. La plaque 4 avec le consommable 5 est saisie par des pinces, serre-joints ou éléments similaires 10 et est ensuite tirée par un mouvement de translation guidé, parallèlement à la cellule. Le dépôt métallique, « collé » au consommable 5 mais pas à la cathode 3, qui est non-adhérente, se détache de la cathode 3 et est entraîné par le consommable 5 hors de la cellule dans son mouvement de translation (voir figure 5). La plaque de fer 4 est alors transférée sur une table au cours de son extraction, comme décrit ci-dessus.

Liste des symboles de référence

[0040] 

1 : cellule d'électroextraction

2 : anode

3 : cathode à base de carbone ou graphite à faible rugosité

4 : dépôt de fer / plaque

5 : consommable

5' : zone de dépôt du fer sur le consommable

5" : partie dépassante du consommable non recouverte de dépôt métallique

6 : système amovible de fermeture de la cellule

7 : système d'extraction de la plaque de fer

8 : électrolyte

9 : mouvement d'extraction

10 : moyens de préhension

Revendications

1. Un dispositif pour la production d'un métal pur ou d'un alliage de ce métal par réduction électrolytique d'un minerai de ce métal ou d'une substance contenant une forme oxydée de ce métal, ledit dispositif comprenant une cellule (1) munie d'une anode (2), d'une cathode (3), d'un électrolyte (8) et d'un système amovible de fermeture de la cellule (6), caractérisé en ce que la cathode (3) est munie d'un revêtement non adhérent pour le métal déposé électrolytiquement et en ce que le dispositif comporte en outre un élément consommable (5) électriquement conducteur destiné à faciliter l'extraction d'une plaque dudit métal (4) déposée électrolytiquement sur la cathode (3), ledit consommable (5) étant disposé dans la cellule (1) dans le prolongement de la cathode (1) ou en recouvrement partiel avec celle-ci, avec contact mécanique et donc électrique à une extrémité avec la cathode (1) et dépassant de la zone électrolytique de la cellule (1), de sorte à permettre, en fonctionnement, un dépôt simultané dudit métal sur la cathode (3) et sur une partie du consommable (5') et à permettre l'extraction ultérieure hors de la cellule (1) de l'ensemble constitué par le consommable (5) et le métal déposé (4), par un moyen mécanique (7).

2. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le consommable (5) a une longueur inférieure à 50%, préférentiellement inférieur à 10%, de la longueur de la cathode (3).

3. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode (3) est à base de carbone, de graphite à faible rugosité, de graphite imprégné ou revêtu de bouche-pores ou de métaux purs et/ou certains de leurs alliages, éventuellement revêtus.

4. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le consommable (5) est une tôle métallique.

5. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie du consommable (5") en prolongement de la cathode et dépassant de la zone électrolytique est accueillie dans le système amovible de fermeture (6), qui est fermé en opération pour maintenir l'électrolyte (8) dans la cellule.

6. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de préhension (10) collaborant avec le consommable (5) ou des éléments de celui-ci pour permettre l'extraction de l'ensemble consommable/métal déposé.

7. Le dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce les moyens de préhension (10) sont des moyens de serrage tels que des pinces ou vérins, des goujons ou crochets de traction collaborant avec des trous pratiqués dans le consommable (5), ou encore des éléments géométriques rapportés collaborant entre eux pour assurer une traction.

8. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de blocage pour maintenir le consommable (5) et la plaque déposée (4) en position le temps d'ouvrir la cellule et d'extraire ensuite l'ensemble plaque (4) et consommable (5) par les moyens de préhension (10), les moyens de blocage pouvant coïncider avec les moyens de préhension (10).

9. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule électrolytique (1) est inclinée d'un angle de 20° à 60° par rapport à l'horizontale, en ce que les électrodes sont planes avec une distance inter-électrodes comprise entre 1 mm et 50 mm, et préférentiellement entre 6 et 20 mm, en ce que la cathode (3) est maintenue à demeure dans le dispositif et en ce que le moyen mécanique d'extraction (7) est configuré pour effectuer l'extraction de l'ensemble consommable/métal selon un mouvement de translation parallèle aux électrodes.

10. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, après extraction, le consommable (5) est soit séparé dudit métal pur ou alliage du métal déposé (4) afin d'éviter toute pollution, soit fondu ultérieurement avec le métal déposé.

11. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, pour le dépôt électrolytique de fer en milieu basique, où le consommable (5) est une tôle en acier bas carbone.

12. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour l'électroraffinage du zinc, nickel ou cuivre, en milieu acide, le consommable (5) étant respectivement une plaque en zinc, nickel ou cuivre.

Dessins