FR3062137A1 - Dispositif d'alimentation en alumine d'une cuve d'electrolyse - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif d'alimentation (10) en alumine d'une cuve d'électrolyse (100) comprenant, un organe de perçage (22), un fourreau tubulaire (23) entourant l'organe de perçage, le fourreau comportant une ouverture inférieure et une première ouverture (25) d'évacuation des gaz, un conduit (26) destiné à l'introduction d'alumine dans le fourreau tubulaire (23) comportant une seconde ouverture d'introduction d'alumine et un orifice débouchant dans le fourreau tubulaire, dans lequel le fourreau tubulaire (23) et le conduit (26) sont configurés de manière à ce que plus de 90% des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire (23) par l'ouverture inférieure (24) sortent du fourreau tubulaire (23) par la première ouverture (25) d'évacuation des gaz.
Description
Mandataire(s) : RIO TINTO FRANCE SAS Société par actions simplifiée.
® DISPOSITIF D'ALIMENTATION EN ALUMINE D'UNE CUVE D'ELECTROLYSE.
FR 3 062 137 - A1 (57) La présente invention concerne un dispositif d'alimentation (10) en alumine d'une cuve d'électrolyse (100) comprenant, un organe de perçage (22), un fourreau tubulaire (23) entourant l'organe de perçage, le fourreau comportant une ouverture inférieure et une première ouverture (25) d'évacuation des gaz, un conduit (26) destiné à l'introduction d'alumine dans le fourreau tubulaire (23) comportant une seconde ouverture d'introduction d'alumine et un orifice débouchant dans le fourreau tubulaire, dans lequel le fourreau tubulaire (23) et le conduit (26) sont configurés de manière à ce que plus de 90% des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire (23) par l'ouverture inférieure (24) sortent du fourreau tubulaire (23) par la première ouverture (25) d'évacuation des gaz.
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine technique général de la production d'aluminium par électrolyse dans une cuve d’électrolyse contenant un bain d’électrolyte à base de cryolithe, et plus précisément un dispositif d’alimentation en alumine de cette cuve d’électrolyse.
Ce dispositif d’alimentation en alumine peut être monté sur une cuve d’électrolyse à anodes précuites, ou sur une cuve d’électrolyse à anodes continues dites Sôderberg.
Présentation de l’art antérieur
L’aluminium est essentiellement produit par électrolyse d'alumine dissoute dans un bain d’électrolyte. Actuellement, la production d’aluminium à l’échelle industrielle est mise en œuvre dans une cuve d’électrolyse composée d’un caisson en acier ouvert dans sa partie supérieure, et dont l’intérieur est recouvert de matériau réfractaire, d’une cathode surmontée par une (ou plusieurs) anode(s), l’anode étant plongée dans le bain d’électrolyte porté à une température comprise entre 930 et 980°C.
L’application d'un courant électrique entre l’anode et la cathode permet d’initier la réaction d’électrolyse. L’anode est consommée progressivement durant la réaction d’électrolyse. Une fois l’anode usée, celle-ci est remplacée par une anode neuve.
Lors de la production d’aluminium par électrolyse, une croûte solidifiée d'alumine et d'électrolyte figé se forme à la surface du bain d’électrolyte. La formation de cette croûte isole thermiquement le bain d’électrolyte et confine une partie des gaz polluants générés par la réaction d’électrolyse.
Toutefois, la production d’aluminium par électrolyse entraîne une évolution permanente de la composition du bain d’électrolyte, et notamment de la teneur en alumine du bain d’électrolyte du fait que l'alumine est consommée par la réaction d’électrolyse pour former de l’aluminium. La réaction d’électrolyse engendre par ailleurs la formation de gaz à l’interface entre l’anode et la cathode, par exemple du dioxyde de carbone.
Il est par conséquent nécessaire d'ajouter régulièrement de l’alumine au bain d’électrolyte afin de stabiliser et réguler les paramètres de fonctionnement de la cuve d’électrolyse.
C’est pourquoi une cuve d’électrolyse est généralement équipée de dispositifs d’alimentation en alumine constitués de dispositifs de perçage permettant de former des trous par perçage de la croûte, et de dispositifs de dosage permettant d’ajouter de l’alumine sous forme de poudre à travers lesdits trous.
Chaque dispositif de perçage comporte généralement un vérin et un organe de perçage (connu sous les noms de « plongeur » ou « pointerolle ») fixé à l'extrémité d’une tige du vérin. L’organe de perçage est abaissé par activation du vérin pour briser la croûte s’étendant sur le bain d’électrolyte.
Chaque dispositif de dosage comporte typiquement un doseur permettant de réguler le débit d’alumine à introduire dans le bain d’électrolyte depuis une trémie et une goulotte d’alimentation permettant de diriger par écoulement gravitationnel l’alumine sortant du doseur vers le trou formé dans la croûte par le dispositif de perçage.
Les dispositifs de perçage et de dosage doivent faire l’objet d’opérations d’entretien et de maintenance relativement fréquentes en raison du caractère abrasif de l’alumine et des conditions chimiques et thermiques extrêmes dans la cuve d’électrolyse.
Une accessibilité aisée au dispositif de perçage et au dispositif de dosage est donc recherchée, plus particulièrement sans qu’il soit nécessaire d’intervenir directement dans la cuve, c’est-à-dire sous les capots de confinement, pour effectuer les opérations d’entretien et de maintenance, eu égard aux conditions très difficiles d’intervention dans la cuve résultant du manque d’espace, de la chaleur, des émanations gazeuses, des différences de potentiel électrique et des champs magnétiques élevés qui provoquent des collages des outils.
On connaît à cet effet du document FR 2 527 647 un dispositif amovible d’alimentation en alumine comportant un dispositif de perçage et un dispositif de dosage agencé au-dessus du bain d’électrolyte dans le plafond d’une superstructure portée par le caisson. Le dispositif de perçage et le dispositif de dosage sont disposés côte à côte, sans se toucher, et peuvent donc être retirés de la cuve par extraction verticale indépendamment l’un de l’autre, c’est-à-dire sans intervention sur l’autre dispositif, que ce soit dans la cuve ou audessus de la cuve.
Les dispositifs d’alimentation en alumine sont typiquement disposés à intervalles réguliers le long d’un couloir central entre deux rangées d’anodes. Les anodes sont recouvertes avec un produit de couverture pulvérulent, typiquement à base de cryolite et d’alumine afin de minimiser les déperditions de chaleur depuis le bain d’électrolyte vers l’intérieur de la cuve. La combustion des anodes à base de carbone au-dessus du bain d’électrolyte est également ainsi minimisée. Des écroulements du produit de couverture pulvérulent se produisent épisodiquement dans les trous formés par les dispositifs de perçage. Ces écroulements provoquent la formation d’agglomérats sur la surface de la cathode, ce qui diminue la conductivité globale de la cathode. Cette addition non contrôlée de matériau pulvérulent modifie en outre la composition du bain d’électrolyte et perturbe le système de régulation de l’alimentation des cuves en alumine, aboutissant à une dégradation des rendements réactionnels de la cuve d’électrolyse. Ces écroulements peuvent parfois encore provoquer un bouchage du trou d’alimentation en alumine et mettre en défaut le dispositif d’alimentation en alumine.
Les trous percés dans la croûte par les dispositifs de perçage forment des débouchés pour les gaz générés au cours de la réaction d’électrolyse et emprisonnés sous la croûte. Aussi, le débit d’échappement de ces gaz est important au niveau des trous dans la croûte et provoque un envolement partiel de l’alumine s’écoulant par gravité depuis les goulottes d’alimentation jusque dans les trous. L’alumine utilisée pour la production d’aluminium est en effet sous forme de particules très fines et légères, facilement volatiles. Une partie de l’alumine sortant du doseur n’est donc pas introduite dans le bain d’électrolyte mais se disperse dans la cuve d’électrolyse, typiquement sur le produit de couverture recouvrant les anodes. Ces envolements non contrôlés perturbent également le système de régulation de l’alimentation des cuves en alumine, aboutissant à une dégradation des rendements réactionnels de la cuve d’électrolyse.
Afin d’améliorer le contrôle des cuves, les systèmes de régulation de l’alimentation en alumine privilégient une alimentation quasi continue en alumine, c’est-à-dire au moyen d’un filet d’alumine s’écoulant de façon quasi continue, plutôt que par paquets d’alumine introduits périodiquement. Un dispositif d’alimentation quasi continu en alumine est notamment connu de la publication WO93/14248. La problématique liée aux envolements est alors amplifiée car un filet d’alumine ou des grains isolés d’alumine sont plus fortement sujet à envolement qu’un paquet d’alumine.
La publication CN102628170 divulgue un dispositif de perçage en alumine comportant un fourreau enfoncé dans le produit de couverture pulvérulent et au travers duquel se déplace l’organe de perçage. Le fourreau empêche les écroulements du produit de couverture dans le trou formé dans la croûte par l’organe de perçage. Le dispositif de dosage et le dispositif de perçage sont jointifs et, plus particulièrement, le conduit entre la trémie d’alumine et le fourreau dans lequel l’alumine s’écoule par gravité ne présente pas d’ouvertures. Une telle configuration empêche l’envolement de l’alumine entre le dispositif de dosage et le fourreau mais rend les opérations d’entretien et de maintenance très complexes. Une attention toute particulière doit par ailleurs être apportée à l’isolation électrique du dispositif de dosage et de la trémie d’alimentation en alumine du fait du contact du dispositif de dosage avec le dispositif de perçage dont le potentiel électrique fluctue en fonction de la position de l’organe de perçage. Les conditions chimiques et thermiques extrêmes dans la cuve d’électrolyse rendent cette isolation très coûteuse et non pérenne.
Un but de la présente invention est de proposer un dispositif d’alimentation en alumine permettant de contrôler de façon fiable la quantité d’alumine introduite dans le bain d’électrolyte et qui soit aisé à entretenir et de conception simple.
Résumé de l’invention
A cet effet, l’invention propose un dispositif d’alimentation en alumine d’une cuve d’électrolyse pour la production d’aluminium comportant un dispositif de perçage comprenant :
un organe de perçage pour le perçage d’un orifice dans une croûte d’alumine et d’électrolyte figé se formant au-dessus d’un bain d’électrolyte ;
un fourreau tubulaire entourant l’organe de perçage, le fourreau tubulaire comportant une ouverture inférieure et une première ouverture d’évacuation des gaz destinée à l’évacuation de gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire par l’ouverture inférieure ;
un conduit d’alimentation destiné à l’introduction d’alumine dans le fourreau tubulaire comportant une seconde ouverture d’introduction d’alumine et un orifice débouchant dans le fourreau tubulaire ;
caractérisé en ce que le fourreau tubulaire et le conduit d’alimentation sont configurés de manière à ce que plus de 90% des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire par l’ouverture inférieure sortent du fourreau tubulaire par la première ouverture d’évacuation des gaz.
Avantageusement, le fourreau tubulaire et le conduit d’alimentation sont configurés de manière à ce que plus de 95%, et préférentiellement plus de 98%, des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire par l’ouverture inférieure sortent du fourreau tubulaire par la première ouverture d’évacuation des gaz.
Le fourreau tubulaire et le conduit d’alimentation sont plus particulièrement conçus, dimensionnés et agencés de manière à ce que les pertes de charge sur le trajet des gaz depuis l’ouverture inférieure jusqu’à la première ouverture d’évacuation des gaz comparé aux pertes de charge sur le trajet des gaz depuis l’ouverture inférieure jusqu’à la seconde ouverture d’introduction d’alumine aboutisse à ce que plus de 90%, de préférence plus de 95%, et de préférence plus de 98%, des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire par l’ouverture inférieure sortent du fourreau tubulaire par la première ouverture d’évacuation des gaz.
Le lecteur appréciera que l’on entend, dans le cadre de la présente invention, par :
« ouverture », une ouverture directement sur l’intérieur de la cuve d’électrolyse.
« première ouverture supérieure », la totalité des ouvertures dans le fourreau tubulaire aptes à une évacuation des gaz et ne servant pas à l’introduction d’alumine. La section de la première ouverture supérieure peut par conséquent correspondre à la somme des sections d’une pluralité d’ouvertures.
« section », la section prise perpendiculairement à l’axe d’écoulement des gaz en ce point.
Par ailleurs, on utilisera les termes « dessus », « dessous » par rapport à un axe vertical.
Les pertes de charge sont notamment minimisées sur le trajet des gaz depuis l’ouverture inférieure jusqu’à la première ouverture d’évacuation des gaz par exemple en formant une première ouverture de section importante, en agençant la première ouverture de sorte à ce que la longueur du trajet des gaz depuis l’ouverture inférieure soit minimisée et en ne formant pas de coude contraignant l’écoulement gazeux depuis l’ouverture inférieure jusqu’à la première ouverture d’évacuation des gaz.
A l’inverse, des pertes de charge peuvent être induites sur le trajet des gaz depuis l’ouverture inférieure jusqu’à la seconde ouverture d’introduction d’alumine par exemple en formant une restriction de section dans le conduit d’alimentation, en utilisant un conduit d’alimentation de longueur importante et en formant un coude contraignant l’écoulement gazeux depuis l’ouverture inférieure jusqu’à la seconde ouverture d’introduction d’alumine.
Avantageusement, la première ouverture d’évacuation des gaz présente une section supérieure ou égale à 0,5 fois la section de l’ouverture inférieure. Ainsi, les gaz générés par la réaction d’électrolyse s’écoulent verticalement depuis l’ouverture inférieure dans le fourreau tubulaire, de section horizontale sensiblement constante et identique à la section de l’ouverture inférieure, jusqu’à l’extérieur du fourreau tubulaire par l’ouverture d’évacuation des gaz sans rencontrer de rétrécissement important. Passé cette première ouverture d’évacuation des gaz, les gaz ne sont plus contraints par des parois autres que celles éloignées de la cuve d’électrolyse.
De préférence, le conduit d’alimentation comporte en au moins un point une section inférieure à un tiers de la section de la première ouverture. Une telle constriction augmente très fortement les pertes de charge d’un écoulement gazeux dans le conduit par rapport aux pertes de charge d’un écoulement gazeux vers la première ouverture et limite par conséquent l’écoulement des gaz dans le conduit.
De préférence, le conduit d’alimentation comporte sur toute une portion une section inférieure à un tiers de la section de la première ouverture. L’écoulement des gaz dans le conduit est encore plus limité.
La section du conduit est de préférence dimensionnée au plus près de la section nécessaire à l’écoulement de l’alumine au travers du conduit sans créer de bouchage.
Selon un mode de réalisation particulier, le conduit d’alimentation comporte une portion coudée. Cette portion coudée augmente les pertes de charge associées à un écoulement gazeux dans le conduit d’alimentation.
Selon un mode de réalisation particulier, le conduit d’alimentation s’étend verticalement contre le fourreau tubulaire sur au moins la majeure partie de la longueur du conduit d’alimentation. Ainsi, l’ensemble fourreau tubulaire - conduit d’alimentation est plus compact, donc facile à retirer de la cuve par extraction verticale. L’encombrement dans la cuve est diminué, ainsi que les risques de chocs et détérioration du conduit d’alimentation au cours d’un changement d’anode ou d’une opération sur cuve. Une telle configuration en outre permet d’amener l’orifice du conduit d’alimentation débouchant dans le fourreau tubulaire au plus près de l’ouverture inférieure, et donc de limiter la distance sur laquelle les particules d’alumine sont soumises à des forces de traînées ascendantes découlant de l’écoulement gazeux ascendant dans le fourreau tubulaire. Le fait que le conduit d’alimentation s’étende verticalement sur au moins la majeure partie de sa longueur permet une accélération gravitationnelle importante des particules d’alumine dans le conduit d’alimentation. La vitesse atteinte par les particules d’alumine au niveau de l’orifice débouchant dans le fourreau tubulaire permet aux particules d’alumine d’atteindre l’ouverture inférieure et la surface du bain d’électrolyte sans être entraînées par l’écoulement gazeux ascendant dans le fourreau tubulaire. Cette configuration limite donc très fortement les envolements de particules d’alumine dans l’écoulement des gaz de cuve vers l’ouverture d’évacuation des gaz de cuve.
Avantageusement, l’orifice du conduit d’alimentation débouche dans le fourreau tubulaire à une hauteur inférieure au niveau supérieur du produit de couverture, donc proche de l’ouverture inférieure.
La seconde ouverture d’introduction d’alumine est ouverte sur l’intérieur de la cuve à une hauteur supérieure au niveau supérieur du produit de couverture, et de préférence à une hauteur supérieure au niveau supérieur de la première ouverture. La longueur du conduit d’alimentation est par conséquent importante, ce qui induit de fortes pertes de charge pour un écoulement gazeux au travers du conduit d’alimentation. L’évacuation des gaz s’effectue ainsi naturellement via la première ouverture d’évacuation des gaz. Aussi, comme le conduit d’alimentation s’étend verticalement contre le fourreau tubulaire, l’encombrement induit dans la cuve d’électrolyse par ce conduit d’alimentation est minimisé, malgré sa longueur. Avantageusement, le conduit d’alimentation est formé en partie par une paroi du fourreau tubulaire. L’encombrement et le poids du dispositif d’alimentation en alumine est ainsi encore diminué.
Selon un mode de réalisation particulier, la première ouverture d’évacuation des gaz est formée dans le fourreau tubulaire à une hauteur supérieure à la hauteur de l’orifice du conduit d’alimentation débouchant dans le fourreau tubulaire. On évite ainsi un envolement de particules d’alumine dans l’écoulement des gaz de cuve vers l’ouverture d’évacuation des gaz de cuve par simple déviation du trajet des particules d’alumine au cours de leur trajectoire descendante. On évite en outre toute introduction de produit de couverture dans le fourreau tubulaire du fait du positionnement de la première ouverture d’évacuation des gaz bien au-dessus du niveau supérieur du produit de couverture.
L’orifice du conduit d’alimentation débouchant dans le fourreau tubulaire et la première ouverture d’évacuation des gaz sont formés de part et d’autre de l’axe de déplacement de l’organe de perçage. La distance entre l’orifice et la première ouverture est ainsi maximisée et les envolements minimisés.
Selon un mode de réalisation particulier, la première ouverture d’évacuation des gaz est formée dans le fourreau tubulaire au niveau de l’extrémité inférieure de l’organe de perçage lorsque l’organe de perçage est en position haute, ou de repos. La première ouverture d’évacuation des gaz permet en outre une ventilation et donc un refroidissement naturel de l’organe de perçage. L’utilisation d’un fourreau tubulaire autour de l’organe de perçage augmente sa température globale et un tel refroidissement naturel est avantageux pour éviter une dégradation du dispositif de perçage et notamment du vérin mettant en déplacement l’organe de perçage.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif d’alimentation en alumine comporte un dispositif de dosage comprenant une ouverture de déversement d’alumine qui est distante de la seconde ouverture d’introduction d’alumine. Comme l’ouverture de déversement d’alumine du dispositif de dosage ne touche pas l’ouverture d’introduction d’alumine du dispositif de perçage, le dispositif de dosage n’a pas besoin d’être isolé électriquement du dispositif de perçage à l’intérieur de la cuve. Le dispositif de dosage, alternativement le dispositif de perçage, peut en outre être retiré de la cuve sans intervention dans la cuve pour détacher le dispositif de dosage du dispositif de perçage. L’ouverture de déversement d’alumine peut rester distante de la seconde ouverture d’introduction d’alumine du fait que l’écoulement gazeux sortant par la seconde ouverture d’introduction d’alumine du dispositif de perçage est très faible et ne perturbe pas l’écoulement de l’alumine depuis l’ouverture de déversement d’alumine jusqu’à la seconde ouverture d’introduction d’alumine, c’est-à-dire qu’il ne provoque pas d’envolement et de dispersion incontrôlée d’alumine dans la cuve.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le dispositif de dosage comprend un doseur et une goulotte d’alimentation permettant de diriger par écoulement gravitationnel l’alumine depuis l’ouverture de déversement d’alumine jusque dans la seconde ouverture d’introduction d’alumine.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la goulotte d’alimentation est configurée de sorte à ce que l’écoulement gravitationnel de l’alumine sortant de l’ouverture de déversement d’alumine comprend une composante directionnelle horizontale. La goulotte d’alimentation peut par exemple comprendre une rampe de déversement inclinée. Le dispositif de dosage et le dispositif de perçage peuvent par conséquent avantageusement être disposés côte à côte sans qu’aucune partie du dispositif de dosage et du dispositif de perçage ne se superpose dans la cuve. Le dispositif de dosage et le dispositif de perçage peuvent par conséquent être retirés de la cuve par extraction verticale indépendamment l’un de l’autre, c’est-à-dire sans intervention sur l’autre dispositif, que ce soit dans la cuve ou au-dessus de la cuve.
La goulotte d’alimentation peut notamment être du type connu du document de brevet WO91/14248 qui délivre un mince filet d’alumine quasi continu à partir de doses séquentielles délivrées par le doseur.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, une plaque de déflection est agencée au-dessus de la seconde ouverture d’introduction d’alumine en regard de l’ouverture de déversement de l’alumine. Cela permet de contrer la composante directionnelle horizontale imposée à l’alumine par la goulotte et une bonne réception de l’alumine dans la seconde ouverture d’introduction d’alumine. La dimension de la seconde ouverture d’introduction d’alumine et l’encombrement global du dispositif de piquage peuvent ainsi être minimisés.
L’invention concerne également une cuve d’électrolyse comprenant des anodes plongées en partie dans un bain d’électrolyte, du produit de couverture recouvrant les anodes et le bain d’électrolyte caractérisée en ce que la cuve comprend un dispositif d’alimentation en alumine tel que définit précédemment et en ce qu’une portion inférieure du fourreau tubulaire est introduite dans le produit de couverture.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, l’orifice du conduit d’alimentation débouche dans le fourreau tubulaire à une hauteur inférieure au niveau supérieur du produit de couverture. Ainsi, la distance sur laquelle les particules d’alumine sont soumises à des forces de traînées ascendantes découlant de l’écoulement gazeux ascendant dans le fourreau tubulaire est faible.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, le bord inférieur de la première ouverture d’évacuation des gaz s’étend entre 5 et 30 cm au-dessus du niveau supérieur du produit de couverture. Ce positionnement est avantageux car le produit de couverture ne peut ainsi pas pénétrer dans le fourreau tubulaire et donc le bain d’électrolyte via cette première ouverture d’évacuation des gaz, et la distance entre l’ouverture inférieure et la première ouverture d’évacuation des gaz est minimisée.
Brève description des figures
D'autres avantages et caractéristiques de la cuve d’électrolyse et du dispositif d’alimentation en alumine ressortiront encore de la description qui va suivre d’un mode de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif, à partir des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 est une vue schématique en coupe d’une cuve d’électrolyse comportant un dispositif d’alimentation en alumine selon l’invention,
La figure 2 est une vue en perspective éclatée d’une portion d’un dispositif de perçage selon l’invention.
Description détaillée
On va maintenant décrire un exemple de cuve d’électrolyse incluant un ou plusieurs dispositifs d’alimentation en alumine permettant de former un trou dans une croûte d'alumine et de bain solidifié et d’alimenter la cuve en alumine.
Dans les deux figures, les éléments équivalents portent les mêmes références numériques.
En référence à la figure 1, on a illustré un exemple de cuve d’électrolyse selon l’invention.
La cuve d’électrolyse 100 comprend une cathode 1 sur laquelle se dépose une nappe d’aluminium 2 au fur et à mesure de la réaction d’électrolyse. La nappe d’aluminium 2 est recouverte par un bain d’électrolyte 3 dans lequel sont plongées des anodes 4. Une croûte 5 d’alumine et de bain solidifié se forme à la surface du bain d’électrolyte 3 et du produit de couverture 6 est déposé sur les anodes 4 et la croûte 5.
La cuve d’électrolyse 100 est équipée d’un dispositif 10 d’alimentation en alumine selon l’invention comprenant un dispositif de perçage 20 et un dispositif de dosage 40. Le dispositif de perçage 20 et le dispositif de dosage 40 sont agencés en partie à l’intérieur de la cuve 100, sous le plafond 7 de cuve.
Le dispositif de perçage 20 comporte un vérin 21, comprenant un corps de vérin 21a et une tige 21b, au bout duquel s’étend un organe de perçage 22. L’organe de perçage 22 est abaissé périodiquement par activation du vérin 21 pour briser la croûte 5.
Le dispositif de perçage 20 comporte également un fourreau tubulaire 23 s’étendant verticalement en entourant l’organe de perçage 22 le long de son déplacement. Le fourreau tubulaire 23 présente une portion inférieure introduite et encastrée dans le produit de couverture 6 et une portion supérieure s’étendant au-dessus du produit de couverture. L’organe de perçage 22 sort en partie du fourreau tubulaire au travers d’une ouverture 24 inférieure pour percuter et percer la croûte. La figure 2 montre notamment en traits pleins l’organe de perçage 22 en position haute et en traits pointillés le même organe de perçage 22 en position basse.
La portion inférieure ne comporte pas d’ouverture directe sur l’intérieur de la cuve et empêche un affaissement du produit de couverture dans le trou formé dans la croûte par l’organe de perçage 22. La portion supérieure comporte une première ouverture 25 d’évacuation des gaz résultant du procédé d’électrolyse.
Le dispositif de perçage 20 comporte en outre un conduit 26 d’alimentation en alumine comportant une seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine et un orifice 28 débouchant dans le fourreau tubulaire 23.
Le dispositif de dosage 40 comporte une ouverture 41 de déversement d’alumine qui est distante de la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine. Typiquement, le dispositif de dosage 40 comprend un doseur 42 et une goulotte d’alimentation 43, l’ouverture 41 de déversement d’alumine correspondant à une extrémité ouverte libre de la goulotte d’alimentation 43.
Il a été constaté que lorsque le fourreau tubulaire 23 et le conduit d’alimentation 26 sont configurés de manière à ce que plus de 90% des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire 23 par l’ouverture inférieure 24 sortent du fourreau tubulaire 23 par la première ouverture 25 d’évacuation de gaz, les envolements d’alumine sont drastiquement diminués, voir totalement stoppés, lors d’un déversement d’alumine dans la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine au moyen d’un dispositif de dosage 40 disposé à distance et sans contact avec le dispositif de perçage. De préférence, le fourreau tubulaire et le conduit d’alimentation sont configurés de manière à ce que plus de 95%, et de préférence plus de 98% des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire par l’ouverture inférieure sortent du fourreau tubulaire par la première ouverture 25 d’évacuation.
A cet effet, les pertes de charge sont notamment minimisées sur le trajet d’un écoulement gazeux depuis l’ouverture inférieure 24 jusqu’à la première ouverture 25 d’évacuation des gaz et maximisées sur le trajet d’un écoulement gazeux depuis l’ouverture inférieure 24 jusqu’à la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine.
Le mode de réalisation particulièrement avantageux présenté sur les figures 1 et 2 montre, à titre d’exemple non limitatif, plusieurs moyens d’aboutir à ce rapport de perte de charge. Selon l’invention, ces moyens peuvent être utilisés conjointement ou non. La première ouverture 25 d’évacuation des gaz est directement ouverte dans le fourreau tubulaire et présente une section importante, typiquement supérieure ou égale à 0,5 fois la section de l’ouverture inférieure. Le bord inférieur de la première ouverture 25 d’évacuation des gaz s’étend entre 5 et 30 cm au-dessus du niveau supérieur du produit de couverture 6. Le conduit 26 d’alimentation est coudé. Le conduit 26 d’alimentation est de longueur importante et présente une section faible, typiquement une section inférieure à un tiers de la section de l’ouverture inférieure. Un rétrécissement ponctuel dans le conduit d’alimentation, par exemple au niveau de l’orifice 28 débouchant dans le fourreau tubulaire 23 engendre également des fortes pertes de charge.
Les abaques et tables de pertes de charge montrent qu’avec un tel différentiel de sections et une portion coudée, le coefficient de perte de charge pour un écoulement dans le conduit 26 d’alimentation est très supérieur au coefficient de perte de charge pour un écoulement dans le fourreau jusqu’à la première ouverture 25 d’évacuation des gaz, de sorte que la quasi-totalité des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire 23 par l’ouverture inférieure 24 sortent du fourreau tubulaire 23 par la première ouverture 25 d’évacuation des gaz.
Le conduit 26 d’alimentation s’étend verticalement sur une majeure partie de sa longueur contre le fourreau tubulaire 23. Cela permet à l’alumine d’atteindre une vitesse importante au moment de déboucher dans le fourreau tubulaire 23. Aussi, l’encombrement du dispositif de perçage est minimisé et l’orifice 28 du conduit 26 d’alimentation peut déboucher dans le fourreau tubulaire 23 à une hauteur inférieure au niveau supérieur du produit de couverture 7, c’est-à-dire très proche du bain d’électrolyte 3, alors que l’alumine a été introduite dans le conduit 26 d’alimentation via la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine qui est ouverte sur l’intérieur de la cuve à une hauteur supérieure au niveau supérieur du produit de couverture 6, et de préférence à une hauteur supérieure au niveau supérieur de la première ouverture 25 d’évacuation des gaz. La paroi du fourreau tubulaire 23 peut en outre former une partie du conduit d’alimentation.
Comme visible sur les figures, la première ouverture 25 d’évacuation des gaz est formée dans le fourreau tubulaire 23 à une hauteur supérieure à la hauteur de l’orifice 28 du conduit 26 d’alimentation débouchant dans le fourreau tubulaire 23. Avantageusement, l’orifice 28 du conduit 26 d’alimentation débouche au niveau de la portion inférieure du fourreau tubulaire 23 tandis que la première ouverture 25 d’évacuation des gaz est formée dans la portion supérieure de fourreau tubulaire.
Aussi, l’orifice 28 du conduit 26 d’alimentation et la première ouverture 25 d’évacuation des gaz sont formés de part et d’autre de l’axe de déplacement de l’organe de perçage. La première ouverture 25 d’évacuation des gaz est formée dans le fourreau tubulaire 23 au niveau de l’extrémité inférieure de l’organe de perçage 22 lorsque ce dernier est en position haute. Cela permet un refroidissement naturel par convection d’air de la partie inférieure de l’organe de perçage qui entre en contact avec le bain d’électrolyte lorsque l’organe de perçage est abaissé. La partie du fourreau tubulaire 23 s’étendant au-dessus de la première ouverture 25 d’évacuation des gaz peut en outre être fortement ajourée afin de refroidir la tige de vérin 21 b et éviter une dégradation prématurée du vérin 21.
La goulotte d’alimentation 43 permet de diriger par écoulement gravitationnel l’alumine depuis l’ouverture 41 de déversement d’alumine jusque dans la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine. La goulotte d’alimentation 43 peut notamment comporter une rampe de déversement inclinée de sorte que l’écoulement gravitationnel de l’alumine sortant de l’ouverture 41 de déversement d’alumine comprend une composante directionnelle horizontale. Une plaque de déflection 29 est agencée au-dessus de la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine en regard de l’ouverture 41 de déversement de l’alumine. L’alumine déversée depuis la goulotte d’alimentation 43 vient alors percuter cette plaque de déflection 29 et entre dans le conduit 26 d’alimentation via la seconde ouverture 27 d’introduction d’alumine.
Le dispositif de dosage 40 et le dispositif de perçage 20 peuvent par conséquent avantageusement être disposés côte à côte sans qu’aucune partie du dispositif de dosage 40 et du dispositif de perçage 20 ne se superpose dans la cuve. Le dispositif de dosage et le dispositif de perçage peuvent par conséquent être retirés de la cuve par extraction verticale indépendamment l’un de l’autre, c’est-à-dire sans intervention sur l’autre dispositif, que ce soit dans la cuve ou au-dessus de la cuve.
Le dispositif d’alimentation en alumine décrit ci-dessus présente donc de nombreux avantages, notamment en référence au fonctionnement d’une cuve d’électrolyse utilisée pour la production d’aluminium.
Claims (18)
- REVENDICATIONS1. Dispositif d’alimentation (10) en alumine d’une cuve d’électrolyse (100) pour la production d’aluminium comportant un dispositif de perçage (20) comprenant :- un organe de perçage (22) pour le perçage d’un orifice dans une croûte (5) d’alumine et d’électrolyte figé se formant au-dessus d’un bain d’électrolyte ;- un fourreau tubulaire (23) entourant l’organe de perçage (22), le fourreau tubulaire (23) comportant une ouverture inférieure (24) et une première ouverture (25) d’évacuation des gaz destinée à l’évacuation de gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire (23) par l’ouverture inférieure (24) ;- un conduit (26) d’alimentation destiné à l’introduction d’alumine dans le fourreau tubulaire (23) comportant une seconde ouverture (27) d’introduction d’alumine et un orifice (28) débouchant dans le fourreau tubulaire (23);caractérisé en ce que le fourreau tubulaire (23) et le conduit (26) d’alimentation sont configurés de manière à ce que plus de 90% des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire (23) par l’ouverture inférieure (24) sortent du fourreau tubulaire (23) par la première ouverture (25) d’évacuation des gaz.
- 2. Dispositif d’alimentation selon la revendication 1, dans lequel le fourreau tubulaire (23) et le conduit (26) d’alimentation sont configurés de manière à ce que plus de 95%, et de préférence plus de 98%, des gaz pénétrant dans le fourreau tubulaire (23) par l’ouverture inférieure (24) sortent du fourreau tubulaire (23) par la première ouverture (25) d’évacuation des gaz.
- 3. Dispositif d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel la première ouverture (25) d’évacuation des gaz présente une section supérieure ou égale à 0,5 fois la section de l’ouverture inférieure (24).
- 4. Dispositif d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le conduit (26) d’alimentation comporte en au moins un point une section inférieure à un tiers de la section de la première ouverture (25) d’évacuation des gaz.
- 5. Dispositif d’alimentation selon la revendication 4, dans lequel le conduit (26) d’alimentation comporte sur toute une portion une section inférieure à un tiers de la section de la première ouverture (25) d’évacuation des gaz.
- 6. Dispositif d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le conduit (26) d’alimentation comporte une portion coudée.
- 7. Dispositif d’alimentation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le conduit (26) d’alimentation s’étend verticalement contre le fourreau tubulaire (23) sur au moins la majeure partie de la longueur du conduit (26) d’alimentation.
- 8. Dispositif d’alimentation selon la revendication 7, dans lequel le conduit (26) d’alimentation est formé en partie par une paroi du fourreau tubulaire (23).
- 9. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel la première ouverture (25) d’évacuation des gaz est formée dans le fourreau tubulaire (23) à une hauteur supérieure à la hauteur de l’orifice (28) du conduit (26) d’alimentation débouchant dans le fourreau tubulaire (23).
- 10. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’orifice du conduit (26) d’alimentation et la première ouverture (25) d’évacuation des gaz sont formés de part et d’autre de l’axe de déplacement de l’organe de perçage (22).
- 11. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la première ouverture (25) d’évacuation des gaz est formée dans le fourreau tubulaire (23) au niveau de l’extrémité inférieure de l’organe de perçage (22) lorsque l’organe de perçage est en position haute.
- 12. Dispositif d’alimentation selon l’une des revendications 1 à 11, comportant un dispositif de dosage (40) comprenant une ouverture (41) de déversement d’alumine qui est distante de la seconde ouverture (27) d’introduction d’alumine.
- 13. Dispositif d’alimentation selon la revendication 12, dans lequel le dispositif de dosage (40) comprend un doseur (42) et une goulotte d’alimentation (43) permettant de diriger par écoulement gravitationnel l’alumine depuis l’ouverture (41) de déversement d’alumine jusque dans la seconde ouverture (27) d’introduction d’alumine.
- 14. Dispositif d’alimentation selon la revendication 13, dans lequel la goulotte d’alimentation (43) est configurée de sorte à ce que l’écoulement gravitationnel de l’alumine sortant de l’ouverture (41) de déversement d’alumine comprend une composante directionnelle horizontale.
- 15. Dispositif d’alimentation selon la revendication 14, dans lequel une plaque de déflection (29) est agencée au-dessus de la seconde ouverture (27) d’introduction d’alumine en regard de l’ouverture (41) de déversement de l’alumine.
- 16. Cuve d’électrolyse (100) comprenant des anodes (4) plongées en partie dans un bain d’électrolyte (3), du produit de couverture (6) recouvrant les anodes (4) et le bain d’électrolyte (3), caractérisée en ce que la cuve (100) comprend un dispositif d’alimentation (10) en alumine tel que définit précédemment et en ce qu’une portion5 inférieure du fourreau tubulaire (23) est introduite dans le produit de couverture (6).
- 17. Cuve d’électrolyse selon la revendication 16, dans laquelle l’orifice du conduit (26) d’alimentation débouche dans le fourreau tubulaire (23) à une hauteur inférieure au niveau supérieur du produit de couverture (6).
- 18. Cuve d’électrolyse selon l’une des revendications 16 ou 17, dans laquelle le bord10 inférieur de la première ouverture (25) d’évacuation des gaz s’étend entre 5 et 30 cm au-dessus du niveau supérieur du produit de couverture (6).1/2
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