Cellule pour la fabrication électrolytique de l'aluminium
La présente invention se rapporte aux cellules du type Hall pour la production électrolytique de l'aluminium et aux rangées de fours comprenant ces cellules, et apporte certains perfectionnements à ces appareils, qui ont pour effet d'améliorer la production et les rendements thermique et électrique. Les fours électrolytiques du type Hall sont des récipients rectangulaires, doublés intérieurement de carbone dans lesquels l'alumine dissoute dans un bain de cryolite fondue est réduite. Le revêtement interne de carbone (généralement recouvert d'une couche d'aluminium en fusion) est la cathode, et l'invention a pour but d'améliorer la disposition, la composition et les dimensions des barres collectrices cathodiques du revêtement de ces fours et des barres omnibus cathodiques collectrices de courant pour ces fours.
La construction et la mise en service de rangées de fours Hall de capacité de plus en plus grande et fonctionnant avec des intensités qui dépassent désormais 100 000 ampères ont suscité des difficultés causées par l'agitation électromagnétique de la couche d'aluminium réduit en fusion, sous-jacente aux bains de cryolite, et qui provoque un amoncellement local de la couche d'aluminium pouvant atteindre 4 cm.
Ce phénomène est dû à des effets électromagnétiques et au fait que l'aluminium fondu a une densité d'environ 2,3, que le bain de cryolite fondue a une densité d'environ 2,1 et que le bain de cryolite qui sépare la face inférieure des anodes de carbone de la couche sous-jacente d'aluminium en fusion peut n'avoir en moyenne que 4 à 5 cm d'épaisseur. I1 est clair que les court-circuits locaux entre les anodes de carbone et la cathode d'aluminium en fusion peuvent se produire. Pratiquement, des court-circuits momentanés se produisent effectivement, et se traduisent par de violentes fluctuations sur les électrodes individuelles. Ces fluctuations ont tendance à s'aggraver d'elles-mêmes, car les pointes d'intensité provoquent également un amoncellement de l'aluminium.
On rencontre encore plus souvent des variations de densité de courant importantes et plus persistantes entre les faces des anodes ou entre les parties de ces faces et la couche d'aluminium et des variations de densité de courant dans le revêtement de carbone du four et les barres cathodiques noyées dans ce revêtement. Pratiquement, ces variations peuvent avoir pour conséquence un mauvais rendement du courant, qui s'accompagne d'un échauffement au rouge des barres anodiques, d'une corrosion des barres cathodiques par l'aluminium en fusion qui les atteint à travers des fentes du revêtement de carbone, et finalement par des perforations dans l'enveloppe en acier du four, entraînant la mise hors service du four et sa réparation.
Les effets électromagnétiques locaux, tels que circulation et amoncellement du métal, sont directement proportionnels à la densité du courant locale et au flux magnétique local dans l'aluminium en fusion. Etant donné que, quelle que soit la construction du four, l'intensité et le flux en n'importe quel point donné sont également proportionnels à l'intensité globale supportée par la ligne du four, et que l'effet électromagnétique local est proportionnel au carré de l'intensité supportée par la ligne de fours, cela limite la production quotidienne d'un four, et limite également la construction de nouveaux fours.
L'invention fait reculer les strictes limitations actuelles de l'intensité du courant circulant dans une ligne de fours électrolytiques, et par conséquent la productivité des fours, d'une manière pratique et avec un minimum de frais de main-d'aeuvre et de matières.
L'agitation électromagnétique du métal en fusion au sein d'un four à aluminium est une action similaire au mouvement causé par l'armature d'un moteur électrique lorsqu'elle est parcourue par un courant tandis qu'elle se trouve dans un fort champ magnétique. Cer tains effets sont dus à une réaction entre le flux magnétique horizontal issu de la barre omnibus anodique et les courants verticaux qui circulent de haut en bas à travers la couche de métal, entre les anodes et le revêtement du four. Ces effets ont peu d'importance, sauf au voisinage des extrémités du four, où les courants dans les barres omnibus anodiques sont importantes.
L'agitation et l'amoncellement de l'aluminium en fusion les plus violents sont dus à des courants électriques horizontaux qui circulent dans le métal en fusion sous l'influence de vecteurs de flux magnétique verticaux provenant des barres omnibus cathodiques qui, dans la pratique actuelle, forment fréquemment une ceinture complète autour du four, dans le cas de la disposition côte à côte des fours dans l'atelier. Des courants horizontaux se produisent dans l'aluminium en fusion du fait que la cathode de carbone (même lorsqu'elle n'est pas fissurée) a une résistivité environ 200 fois supérieure à celle de l'aluminium et que la barre collectrice cathodique a une résistivité environ 40 fois supérieure à celle de l'aluminium en fusion.
Avec une couche d'aluminium dont l'épaisseur peut être de 13 cm pour une épaisseur du revêtement interne de 25 cm, les courants qui circulent verticalement de haut en bas à travers la cryolite fondue à partir des anodes tendent à traverser la couche de métal latéralement, du fait qu'une proportion appréciable (peut-être 1/3 à 2/3) du courant circulant horizontalement en dessous de la couche de métal doit forcément circuler latéralement dans le revêtement interne de carbone et le reste dans les barres collectrices en acier, par suite du rapport entre la résistance du revêtement de carbone et celle des barres en acier.
Comme les barres collectrices en acier sont incapables d'empêcher que le revêtement de carbone transporte pratiquement tout le courant vers les côtés, elles sont beaucoup moins capables de concurrencer l'aluminium en fusion, qui récolte le courant provenant des anodes qui le surmontent et tend à concentrer le courant autour de la périphérie de la couche de métal en fusion, d'où le courant se répartit (comme indiqué plus haut) entre le revêtement interne du four et les barres collectrices au cours de son trajet vers les côtés du four; la forte densité de courant dans la surface de contact entre le métal en fusion et le revêtement interne au voisinage du fort flux magnétique provenant des barres omnibus ca thodiques latérales et d'extrémité provoque des effets électromagnétiques importants.
Comme autres causes majeures de courants horizontaux dans l'aluminium en fusion, on peut mentionner les zones non conductrices sur la surface de contact entre le revêtement interne et l'aluminium en fusion, en sorte qu'il est important de maintenir le revêtement conducteur total le plus possible en contact avec le métal en fusion afin de réduire la densité de courant moyenne sur la surface de contact entre le métal en fusion et le revêtement interne.
Un but de. l'invention est de faire en sorte que les fortes densités de courant soient transportées dans des parties du four où le flux magnétique vertical est faible, afin que les densités de courant cathodique plus basses puissent être obtenues dans des régions du four où le flux magnétique vertical est intense et où, par conséquent, une circulation et un amoncellement du métal pourraient se produire.
La présente invention a donc pour objet une cellule pour la fabrication de l'aluminium, par réduction électrolytique de l'alumine dans une masse de cryolite en fusion. Cette cellule est caractérisée par un récipient rectangulaire revêtu intérieurement au moins en partie par un revêtement électriquement conducteur qui sert de cathode pendant la réduction, des barres collectrices disposées dans le revêtement et destinées à conduire le courant fourni pendant la réduction du revêtement à des barres omnibus porteuses de courant, placées à l'extérieur du récipient, la résistance relative du revêtement et l'emplacement et la résistance des barres collectrices étant ajustées de telle manière qu'au moins dans certaines régions,
le courant retiré à travers la surface de ladite région soit approximativement inversement proportionnel en densité à la densité de flux magnétique vertical existant dans ladite région. Ceci permet de retirer du récipient des fractions plus grandes du courant circulant à travers le revêtement dans les régions où le flux magnétique vertical est comparativement minimal.
On peut obtenir des densités de courant plus fortes dans des régions locales de faible flux magnétique vertical en plaçant un plus grand nombre de barres collectrices en acier par rapport à la section transversale du revêtement interne en carbone ou au moyen de barres de plus gros diamètre ou plus longues, ou de barres en une matière plus conductrice de l'électricité que l'acier, ou encore au moyen d'un revêtement interne graphitisé ou d'un revêtement interne plus mince. On peut également faire appel à une combinaison de ces moyens.
L'exposé qui suit, donné à titre d'exemple et avec référence au dessin annexé, fera mieux comprendre l'invention. Dans le dessin:
La fig. 1 est une vue latérale d'un four Hall, représenté en disposition côte à côte dans une ligne de fours.
La fig. 2 est un graphique du flux vertical électromagnétique estimé et de la force relative qui en résulte le long des bords de l'aluminium en fusion, le plus près respectivement du côté branche longue du côté branche courte du four de la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe verticale prise suivant la ligne 3-3 de la fig. 1.
La fig. 4 est un graphique du flux vertical électromagnétique estimé et de la force relative qui en résulte le long des bords de l'aluminium en fusion le plus près des extrémités du four de la fig. 3.
La fig. 5 est une coupe horizontale prise suivant la ligne 5-5, à travers les barres omnibus cathodiques et les barres collectrices du four de la fig. 1, avec une vue en plan de la barre omnibus anodique du four suivant le long de la ligne de fours et la barre omnibus qui les connecte, montrant ainsi que le circuit électrique métallique dans un arrangement côte à côte des fours.
La fig. 6 illustre l'appareil d'un schéma électrique de l'invention à une ligne, dans l'arrangement bout à bout des fours, utilisé couramment avec les électrodes
Soderberg.
La fig. 7 est une coupe verticale agrandie d'un angle du four de la fig. 3, montrant la barre collectrice et comment le courant électrique tend à passer vers les côtés dans le métal en fusion et dans le revêtement interne en carbone, par suite de la conductibilité de sections de ces matières, par rapport aux barres collectrices en acier.
La fig. 8 est une coupe verticale prise suivant la ligne 8-8 de la fig. 7, montrant comment le revêtement interne du four peut être constitué de blocs précuits, et comment les barres collectrices peuvent être fixées dans des rainures de ces blocs au moyen de pâte de carbone ou de fonte de fer.
Dans les fig. 1, 3, 5, 7 et 8, l'enveloppe en acier rectangulaire 1 forme une boîte en acier ouverte dans le haut, alors que le chiffre de référence 2 désigne le revêtement interne en carbone, que l'on confectionne généralement en damant un mélange d'anthracite calciné, de goudron et de brai dans la boîte en acier et en cuisant le mélange, ou en cuisant préalablement le mélange sous forme de blocs contenant une ou plusieurs barres collectrices fixées au moyen de pâte de carbone ou de fonte de fer, comme montré à la fig. 8. Ces blocs d'anthracite ou de carbone précuits, peuvent être calcinés électriquement, et ainsi graphitisés entièrement ou partiellement, afin que leur conductibilité électrique soit plus ou moins grande.
Le bain de cryolite en fusion 3 atteint une température de 900 à 10000 C, sauf à la surface exposée à l'air, où une croûte se forme, comme montré à la fig. 3 et à la fig. 7, et la couche sous-jacente d'aluminium en fusion 4 est à une température similaire. En général, deux rangées d'anodes en carbone 5 sont suspendues, de manière à plonger dans la cryolite en fusion, à des barres anodiques en cuivre ou en aluminium 6 (et aux embouts en acier qui y sont fixés) qui conduisent le courant de haut en bas à partir de la barre omnibus anodique 7 en aluminium, alors que les barres cathodiques en acier 8, noyées dans le revêtement interne en carbone, conduisent le courant vers l'extérieur, jusqu'aux barres omnibus cathodiques en aluminium 9, par l'intermédiaire des bandes 13 en cuivre ou en aluminium.
Comme montré dans la fig. 5, dans l'arrangement côte à côte , les barres omnibus cathodiques forment une ceinture entourant complètement l'enveloppe du four, collectant le courant provenant du four et l'envoyant à la barre omnibus anodique du four suivant dans la série électrique de fours constituant une ligne de fours. Une matière réfractaire ou thermiquement isolante 11, sous forme de grains ou de briques, destinées à conserver la chaleur, garnit le fond et les côtés du four, alors qu'une matière isolante réfractaire 10 plus mince, sert à isoler électriquement les barres collectrices de l'enveloppe du four et à isoler le couvercle 12 (sur lequel les hommes se tiennent lorsqu'ils règlent les électrodes) du revêtement interne du four.
Les parois externes en acier du four sont refroidies par les courants de convexion de l'atmosphère, que l'on favorise en posant le four à distance du sol en béton ou en brique réfractaire 14, comme montré à la fig. 9, sur des paires de fers en
U 15, soudés ou rivetés à d'épaisses plaques en acier 16 intercalés entre eux, ce qui forme un étayage empêchant la dilatation des longs côtés en acier du four, en empêchant par conséquent un soulèvement du revêtement interne.
Dans les fig. 1 et 5, les barres collectrices, qui dans cet exemple sont au nombre de 50, sont numérotées dans le sens antihoraire de 8-1 à 8-50, et les différentes valeurs de l'intensité sont indiquées pour faire ressortir des particularités importantes de l'invention, car la pratique courante est d'utiliser des barres collectrices de diamètre identique et par conséquent de capacité d'absorption de courant similaire. Il n'est pas courant d'utiliser des barres collectrices pénétrant dans des fours rectangulaires à travers les extrémités de celui-ci, et non pas seulement à travers les côtés.
Dans les fig. 1, 3, 5 et 9, on voit comment les feuillets 7a et 7b de la barre omnibus anodique constituent la barre omnibus anodique et comment les feuillets 9a à 9h de la barre omnibus cathodique sont utilisés pour former les barres omnibus respectives 7 et 9 de manière que les densités de courant dans ces barres soient maintenues à des valeurs raisonnables auxquelles elles ne risquent pas d'être surchauffées et, dans le cas des barres omnibus cathodiques, de manière à compenser la longueur supplémentaire de la branche longue afin qu'elle soit le siège d'une chute de tension environ égale à celle dans la branche courte, afin que l'intensité de courant collecté à partir du côté de la branche courte du four soit environ égale à celle du côté de la branche longue.
Une règle d'électromagnétique qui peut contribuer à la compréhension de l'utilité de l'invention est la règle empirique qui énonce que, si un conducteur électrique est pris dans la main droite avec le pouce dirigé dans le sens du courant, les doigts montrent la direction du flux magnétique produit par le courant. La densité de flux est proportionnelle à l'intensité du courant circulant dans le conducteur et inversement proportionnelle à l'éloignement du conducteur.
La fig. 2 représente graphiquement les composantes verticales du flux magnétique des barres omnibus cathodiques qui sont les principales responsables du flux, et par application des règles ci-dessus, on peut voir pourquoi le flux magnétique maximum sur l'aluminium en fusion est au point X sur l'angle du four correspondant à la branche longue, car l'effet de la barre d'extrémité s'ajoute à l'effet de la barre omnibus du côté de la branche longue en cet endroit. Par contre, sur l'angle du four correspondant à la branche courte, l'effet de la barre omnibus d'extrémité est opposé à celui de la barre omnibus du côté de la branche courte, et le flux net est bien inférieur à celui au point X sur le côté de la branche longue, où les composants de flux de la barre d'extrémité et de la barre latérale s'ajoutent.
Le profil complet du flux magnétique dans le four selon l'invention peut être étudié dans les graphiques des fig. 2 et 4.
On tiendra compte du fait que le flux net dans la ligne centrale longitudinale du four résultant des barres omnibus cathodiques placées le long des côtés est égal à 0, puisqu'ils se neutralisent réciproquement, et que seul le flux des barres d'extrémité subsiste et, bien entendu atteint son maximum aux extrémités du four, c'està-dire au voisinage des barres d'extrémité. A mi-chemin entre les extrémités du four, la densité de flux est égale à 0, car il ne circule pratiquement aucun courant dans les barres omnibus cathodiques (de même que dans les barres omnibus anodiques). Le long de la ligne centrale longitudinale du four, se trouve une bande dans laquelle le flux magnétique vertical est très faible, à l'exception du voisinage des extrémités du four où le flux magnétique provenant des barres d'extrémité exerce son effet.
L'invention prescrit d'extraire du courant dans ces régions de faible flux magnétique vertical par l'emploi de barres collectrices plus grosses ou d'un revêtement interne plus conducteur (ou des moyens similaires énumérés précédemment). Par exemple, les barres collectrices désignées dans la fig. 1 et dans la fig. 5 par les chiffres 8-4, 8-5, 8-6, 8-15, 8-16, 8-17, 8-18, 8-19, 8-20, 8-29, 8-30, 8-31, 8-40, 8-41, 8-42, 8-43, 8-44 et 8-45 peuvent être de plus gros diamètre que les autres barres collectrices du four afin qu'elles récoltent la majeure partie du courant, comme l'indiquent à titre d'exemple, les valeurs d'intensité visibles à la fig. 5, sans que cela provoque une circulation ou un amoncellement électromagnétique excessif dans les régions où elles se trouvent.
La présente invention justifie l'emploi d'un revêtement interne graphitique avec des barres collectrices plus grosses dans des emplacements déterminés, par exemple dans le cas d'au moins une partie des barres 8-4 à 8-6, 8-15 à 8-20, 8-29 à 8-31 et 8-41 à 8-45, car une quantité relativement petite de graphite coûteux peut procurer une amélioration significative du rendement grâce à une réduction des effets électromagnétiques et une diminution de la chute de tension, et par conséquent une perte RIS inférieure dans le revêtement interne du four, due à la moindre résistance du graphite. I1 est bien entendu que les valeurs d'ampérage attribuées aux barres collectrices dans la fig.
5 et aux barres omnibus dans cette figure et dans d'autres figures sont données à titre d'exemple et qu'on pourrait obtenir diverses valeurs d'intensité convenant à la mise en oeuvre de l'invention par un choix approprié des dimensions et des conductibilités des barres collectrices et omnibus.
L'application de l'invention à l'arrangement bout à bout des fours dans un atelier, utilisée généralement avec les électrons Soderberg, est illustrée à la fig. 6, qui représente, au moyen d'un schéma du circuit électrique d'une ligne, les barres collectrices et les barres omnibus cathodiques et anodiques d'un exemple du four selon l'invention destiné à supporter un total de 50 000 ampères.
Une barre omnibus cathodique est généralement disposée de manière à former une ceinture complète autour du four et des barres collectrices horizontales pénètrent à partir de cette ceinture à travers les extrémités et à travers les côtés du four conformément à l'invention, les longueurs des barres collectrices des extrémités variant progressivement de manière que les barres les plus longues soient les barres voisines de la ligne centrale longitudinale du four, là où le flux et la force électromagnétique sont pratiquement nuls.
Bien que le carbone, sous une forme quelconque, ait été jusqu'ici la matière couramment utilisée pour le revêtement interne du four, on développe actuellement de nouvelles matières qui sont électriquement conductrices et qui résistent à l'attaque chimique par le métal et la cryolite en fusion. Ces matières comprennent les nitrures, carbures, borures et cyanonitrures d'aluminium, de silicium, de titane, de zirconium et d'autres métaux.
Lorsqu'il est question de revêtement interne dans le présent exposé, il est entendu que cette expression englobe toutes ces matières de remplacement, dans la mesure où elles sont utilisées dans le revêtement interne qui forme un récipient pour le métal et la cryolite en fusion et qui fonctionne comme conducteur électrique transportant le courant jusqu'aux barres collectrices noyées dans le revêtement.
Lorsqu'on transforme des lignes de four existantes, afin de les rendre conformes à l'invention, il n'est généralement pas avantageux de travailler à la même intensité qu'antérieurement, et il est préférable d'augmenter l'intensité dans le revêtement interne du four afin que la ligne de four produise plus d'aluminium.
On aurait pu s'attendre à ce qu'une enveloppe de four d'une grandeur donnée ne puisse pas supporter une intensité plus grande sans que la surface des anodes soit également augmentée (par l'emploi d'électrodes plus grosses ou d'un plus grand nombre d'électrodes), mais on constate généralement que les mêmes électrodes peuvent conduire au moins 5 ou 10 % plus de courant, car par suite de l'atténuation des effets électromagnétiques provoquant des variations de densité de courant d'une électrode à l'autre, le rendement est amélioré et les fours travaillent à température plus basse, en sorte que l'intensité doit être augmentée pour que les fours travaillent dans de meilleures conditions. Les anodes ayant moins tendance à chauffer au rouge par suite d'amoncellement du métal, les électrodes peuvent supporter de plus fortes densités de courant sans risque.
Evidemment, comme les barres collectrices sont plus nombreuses et que la chaleur est répartie plus uniformément dans le revêtement interne cathodique, ce dernier est plus froid et une intensité plus forte est nécessaire pour éviter que la surface de contact entre le métal et le revêtement s'encrasse, c'està-dire pour que le four travaille dans les meilleures conditions. Ceci est généralement le cas aussi bien avec les électrodes Soderberg qu'avec les électrodes précuites, tant dans l'arrangement côte à côte que dans l'arrangement bout à bout de la ligne de fours.
Lorsque les fours de construction traditionnelle sont modifiés un à un lorsqu'ils sont retirés de la ligne de fours en vue de la réfection normale du revêtement interne, il n'est pas possible d'augmenter l'intensité dans la ligne de fours avant que tous les fours soient munis de plaques collectrices d'extrémité. Cependant, chaque four pourvu du nouveau revêtement avec barres collectrices, telles que décrites dans cet exposé, peut être mis en marche dans la ligne de fours et offre désormais une faible chute de tension dans le revêtement, un haut rendement du courant et une longue durée de service du revêtement, et procure donc une partie des avantages possibles de l'invention. I1 peut être nécessaire d'améliorer l'isolation thermique de la base du four ou de disposer des écrans limitant le refroidissement de la base de l'enveloppe par l'air.
Dans le cas de la construction de nouvelles lignes de fours, I'invention permet de faire circuler un courant d'intensité très supérieure, sans effets électromagnétiques importants et sans investissements élevés en barres omnibus pour combattre ce magnétisme. Comme l'investissement en barres omnibus peut être égal à l'investissement en tous les autres éléments du four, ceci est une considération importante.
L'invention envisage de choisir les longueurs des barres collectrices individuelles, disposées dans l'une ou les deux extrémités du four, de manière à former un réseau en forme de V, vu en section horizontale comme dans la fig. 5. Elle préconise que chacune des barres collectrices latérales proches des angles du four ait une longueur telle qu'elle rencontre, ou rencontre presque, une barre collectrice d'extrémité, car il en résulte une augmentation du volume du revêtement interne et de la couche métallique qui le recouvre à partir desquels du courant peut être extrait dans au moins deux directions.
En outre, grâce à l'invention, la plus grande quantité possible de courant est extraite d'une ceinture le long de la ligne centrale longitudinale du four, là où le flux magnétique vertical provenant des deux barres cathodiques est neutralisé, en sorte qu'aucun effet électromagnétique appréciable ne se produit dans cette ceinture à l'écart des extrémités, bien que des courants horizontaux circulent latéralement dans l'aluminium en fusion, en partant d'en dessous des électrodes et en se dirigeant vers la ligne centrale longitudinale du four.