Elément solide <B>conducteur du</B> courant La présente invention se rapporte à des cellules électrolytiques pour la production de l'aluminium et concerne des éléments solides conducteurs du courant, employés avec ces cellules, qu'il s'agisse de cellules de réduction pour la production de l'aluminium brut ou de cellules à trois couches pour la purification de l'aluminium. Ces éléments conducteurs peuvent constituer les cathodes des cellules de réduction ou des conducteurs de courant faisant partie du réseau d'alimentation du courant électro lytique à une masse de métal fondu, soit dans une cellule de réduction, soit dans une cellule de purification.
Dans les brevets suisses N , 229434 et 301030, il est décrit divers éléments conduc teurs ayant pour caractéristique commune qu'ils sont constitués pour la majeure partie d'au moins un des composés carbure de titane et carbure de zirconium. Ces carbures, quand ils sont utilisés sous forme d'agrégats compacts, présentent une conductibilité électrique relati vement élevée, ne sont pas attaqués de manière appréciable par les fondants fondus utilisés dans les cellules électriques, et présentent une très faible solubilité dans l'aluminium fondu à l000 C. Ils peuvent être obtenus sous une forme appropriée avec de bonnes qualités mé caniques et sont mouillés par l'aluminium fondu.
Le carbure de titane est moins coûteux que le carbure de zirconium et plus résistant que ce dernier à l'oxydation. Les carbures sont utilisés pratiquement purs, avec une teneur en carbone libre qui ne dépasse pas 0,5 % envi ron et qui est de préférence inférieure à 0,1 %.
On a trouvé que l'on peut utiliser d'autres composés pour préparer les éléments conduc teurs, en vue des buts indiqués dans les brevets suisses cités plus haut, ces composés ayant un comportement satisfaisant et certains d'entre eux présentant au moins à certains égards, des propriétés supérieures à celles du carbure de titane.
L'invention a pour objet un élément solide conducteur du courant, ' destiné à être utilisé comme cathode ou comme conducteur de cou rant dans une cellule électrolytique pour la production ou la purification de l'aluminium, caractérisé en ce que sa partie superficielle au moins, en contact avec l'aluminium, est formée d'une matière compacte comprenant au moins un borure de titane ou de zirconium.
Le borure de titane (TiB.,) a une résistivité électrique beaucoup plus faible que le carbure de titane (12 micro-ohms/cm contre 68 micro- ohms/cm, à la température ambiante) ; il est plus résistant à l'oxydation que le carbure de titane dans le domaine de température allant de 300,, à 800o C ; et il présente une solu bilité dans l'aluminium fondu à des tempé- ratures de l'ordre de 960(l C qui n'est que le dixième environ de celle du carbure de titane.
On peut voir que ce borure de titane est une matière bien supérieure, pour les buts envisa gés, au carbure de ce métal.
Cependant, le borure de zirconium a une résistivité électrique qui est suffisamment basse (meilleure que celle du carbure de titane) pour qu'il puisse aussi être utilisé dans la préparation des éléments conducteurs destinés aux cellules électrolytiques pour la production de l'alumi nium.
Ces éléments sont d'ordinaire préparés à partir d'un borure pulvérisé, ou d'un mélange de borures pulvérisés, de préférence en soumet tant la poudre à une pression continue tout en portant sa température à une valeur élevée, par exemple de l'ordre de 20000 C. Une pression de l'ordre de 160 kg/cm2 convient, et il est préférable d'élever la température à sa valeur maximum dans un temps relativement court, par exemple d'une heure environ. On laisse en suite refroidir l'agrégat compact, tout en le maintenant à la pression susdite.
L'opération peut être conduite dans une matrice de graphite dont la cavité présente une section transversale de la forme voulue, la pression étant appliquée à la poudre par des pistons agissant aux extré mités opposées de la colonne de poudre, et une atmosphère protectrice étant maintenue autour de la matrice pendant les périodes de chauffage et de refroidissement.
Les éléments conducteurs obtenus sont des corps solides de faible porosité, de 2 à 5 % par exemple, de résistivité électrique raisonna blement faible, de l'ordre de 10 à 120 micro- ohms/cm, de faible solubilité dans l'aluminiùm fondu et présentant .une bonne résistance à l'attaque par le fondant fondu utilisé dans les cellules électrolytiques pour la production et l'affinage de l'aluminium.
Ils sont ainsi très propres à l'emploi comme conducteurs consti tuant une partie du réseau d'alimentation du courant électrolytique à une masse d'aluminium fondu dans de telles cellules, ou comme ca thodes (ou comme revêtements de cathodes) dans les cellules de réduction électrolytique pour la production de l'aluminium. Le dessin annexé représente, à titre d'exem-- ple, cinq formes d'exécution d'une cellule com prenant un élément conforme à l'invention.
La fig. 1 est une coupe transversale verti cale d'une cellule de réduction.
La fig. 2 est une coupe partielle d'une autre cellule de réduction.
La fig. 3 est une coupe longitudinale de l'extrémité d'une autre cellule de réduction. La fig. 4 est une coupe verticale d'une cel lule de purification à trois couches.
La fig. 5 est une coupe par la ligne 5-5 de la fig. 6 d'une nouvelle cellule de réduction. La fig. 6 est une coupe par la ligne 6-6 de la fig. 5.
La cellule représentée à la fig. 1 comprend une base 1 de briques ou de ciment qui sup porte un caisson 2 peu profond en charbon entouré d'une paroi de support 3 en acier.
Deux canaux 4 peu profonds sont prévus tout au long des bords longitudinaux de la surface supérieure du fond du caisson 2, dans lesquels font saillie, à certains intervalles sur la longueur de la cellule, des éléments conduc teurs du courant 5 sous forme de barres, obte nus de la manière indiquée plus haut. Dans cette construction, chaque barre 5 passe hori zontalement à travers la paroi du caisson 2 de manière à s'étendre dans le canal longi tudinal 4 adjacent, son extrémité extérieure étant reliée à une barre omnibus 6 en alumi nium pur qui est connectée au pôle négatif d'une source de courant électrolytique (non représentée). L'extrémité de la barre omnibus 6 peut être moulée autour de l'extrémité adja cente de la barre 5.
Une anode 7 en charbon est reliée par des moyens appropriés (non représentés) au pôle positif de la source de courant électrolytique. Les barres omnibus 6 sont connectées, comme représenté en 6a, à des barres omnibus princi pales 8 qui s'étendent le long des côtés de la cellule. La cellule peut être mise en fonctionnement par l'un des différents procédés connus dans la pratique. Par exemple, l'anode 7 et le cais son 2 peuvent âtre chauffés à la température de fonctionnement en abaissant l'anode sur des blocs de charbon placés sur la base du cais son, le courant électrique passant à travers ces blocs.
Après que ceux-ci ont été enlevés, l'électrolyse peut être commencée en versant dans le caisson de l'aluminium fondu pour former une masse 9 couvrant les éléments 5, en ajoutant un fondant fondu 10 contenant de l'alumine dissoute, et en faisant immédiatement passer à travers la cellule le plein courant élec trolytique. La masse de métal fondu constitue effectivement la cathode de la cellule. Quand cette dernière est en plein fonctionnement, la majeure partie du fondant est maintenue à l'état fondu, comme représenté en 10, et est couverte d'une croûte 11 de fondant solide ou refroidi.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 2, les éléments conducteurs 5 sont dis posés verticalement et insérés à travers la base du caisson de charbon 2 de la cellule. Les extrémités supérieures des éléments 5 font saillie sur une courte distance au-dessus de la surface interne de la base de charbon de la cellule et établissent effectivement une con nexion électrique entre la masse 9 de métal fondu qui se trouve sur cette base et les barres omnibus négatives 6 qui sont reliées électrique ment à une barre omnibus principale 8 s'éten dant au-dessous de la cellule.
La fig. 3 montre comment le fonctionne ment d'une cellule de réduction classique peut être amélioré en lui incorporant des éléments conducteurs tels que ceux envisagés ici. Comme à l'ordinaire, la base du caisson 2 est composée de blocs d'une matière graphitique dans les quels sont noyées des barres de fer 6 servant à relier électriquement ces blocs à des barres omnibus négatives (non représentées) disposées à l'extérieur de la cellule. De telles cellules présentent l'inconvénient d'un contact électrique à haute résistance entre l'aluminium fondu 9 et le caisson 2, dû au fait que le métal ne mouille pas le charbon et qu'une boue faible- ment conductrice se dépose sur ce dernier pendant le fonctionnement de la cellule.
Pour éviter cet inconvénient, des éléments conducteurs 5 sous forme de tiges, cylindriques ou d'autres formes, sont insérés dans des trous prévus dans les blocs du fond de la cellule, ces éléments étant d'une longueur légèrement supérieure à la profondeur des trous de ma nière que leurs extrémités supérieures fassent saillie dans le métal fondu 9 et forment pour le courant électrolytique des trajets à faible résistance qui court-circuitent la couche de boue.
Les trous sont de préférence répartis uniformément et se prolongent en direction des barres de fer 6, mais se terminent à fàible -dis tance de celles-ci, de manière à laisser subsister une portion solide des blocs de charbon qui évite des fuites du contenu de la cellule. Les éléments 5 sont de préférence maintenus en place au moyen d'une mince couche de poix qui est transformée en un liant carbonifère solide à la température de fonctionnement de la cellule.
La fig. 4 montre une cellule de purification à trois couches. Un élément conducteur Sa, composé d'un agrégat compact préparé comme indiqué plus haut, s'étend horizontalement à travers une paroi isolante 12 (magnésite) de la cellule, pour faire saillie par son extrémité interne dans une dépression 13 formée dans la base de la cellule, de manière que, lorsque la cellule fonctionne, cette extrémité soit noyée dans une masse 14 d'un alliage d'aluminium fondu qui constitue la couche de fond. L'ex trémité externe de l'élément Sa est connectée à une barre omnibus 15 en aluminium (qui peut âtre coulée sur l'élément), conduisant au pôle positif de 1a_ source de courant électro lytique.
Des éléments conducteurs 5b, composés également d'agrégats compacts, constituent des barres disposées verticalement, dont les extré mités inférieures sont immergées dans une couche 16 d'aluminium purifié flottant sur une masse 17 de fondant fondu, et reliées à leurs extrémités supérieures à une barre omnibus négative 18. Ces éléments peuvent être reliés à la barre omnibus par brasure (comme indiqué en 19), ou la barre 18 peut être coulée autour de ces extrémités supérieures. Les parties ex posées des éléments 5b sont avantageusement protégées contre l'oxydation et contre d'autres effets nuisibles.
La cellule de réduction représentée aux fig. 5 et 6 présente une forme rectangulaire tant en plan qu'en section transversale et com prend une paroi extérieure 21 d'une matière isolante réfractaire, telle que la magnésite, et une paroi intérieure 22 de charbon formant revêtement. Des séparations verticales 23, éga lement en charbon, sont prévues intérieurement entre les côtés longitudinaux du revêtement de charbon: Chaque séparation est en contact par ses faces extérieures et de base avec les sur faces correspondantes du revêtement de char bon 22, mais se termine à courte distance de la ligne longitudinale centrale de la cellule.
La face interne de chaque séparation 23 est in clinée vers le haut et vers l'extérieur depuis son extrémité inférieure, l'inclinaison étant re lativement forte relativement à l'horizontale, et la face supérieure de la séparation est placée à un niveau légèrement inférieur à celui de la surface supérieure d'un fondant fondu 24 qui remplit la cellule quand celle-ci fonctionne (fig. 5). Les séparations 23 sont espacées sur la longueur de la cellule et sont disposées par paires opposées, une paroi de chaque paire servant de support à la cathode respective d'une paire de cathodes 25 destinées à coopérer avec une anode 26 disposée entre elles.
Chaque cathode 25 est composée d'un plateau rectan gulaire d'un agrégat compact produit de la manière indiquée précédemment. Cette cathode repose par la portion centrale de sa face exté rieure contre la face intérieure de la sépara tion 23 correspondante, et son bord inférieur est en contact avec la paroi latérale respec tive d'un canal 27 prévu longitudinalement dans la face interne de la base du revête ment 22 de charbon, et de la largeur voulue pour s'étendre d'une séparation 23 à l'autre d'une paire de séparations. On peut voir que dans la disposition décrite, on rencontre à intervalles sur la longueur de la cellule des paires de plateaux cathodiques 25 opposés disposés en V, les bords inférieurs des ca thodes d'une paire étant espacés de la largeur du canal 27.
Les bords supérieurs des ca thodes 25 se prolongent légèrement au-dessus des faces supérieures des séparations 23 (fig. 5), pour se terminer près de la surface supérieure de la masse 24 du fondant fondu. L'anode 26 est en charbon et présente une forme rectan gulaire dans toute section horizontale, mais sa portion inférieure, ou portion finale active, forme un coin de manière que ses faces rec tangulaires inclinées 26a soient disposées pra tiquement parallèlement aux faces internes des cathodes 25 respectives. L'anode 26 est sup portée par une barre omnibus 28 (fig. 5), en fer, qui sert aussi à connecter l'anode au pôle positif de la source de courant électrolytique.
La partie supérieure de l'anode se trouve au- dessus du niveau de la masse 24 de fondant fondu et passe à travers une croûte 24a de fondant solidifié ou refroidi recouvrant la masse 24. Comme l'anode est consommée pen dant le fonctionnement de la cellule, elle est progressivement abaissée de la minière habi tuelle. La position des faces inclinées de l'anode est telle que la distance constante désirée entre les électrodes soit toujours respectée.
Dans l'angle compris entre une face de chaque séparation 23 et la face longitudinale adjacente du revêtement 22 de charbon de la cellule, il est prévu dans la base du revêtement une dépression 29 peu profonde dans laquelle est disposée la partie extrême intérieure d'une barre 30 formée d'un agrégat compact sem blable à celui constituant les plateaux catho diques. Cette barre constitue un conducteur de courant et s'étend horizontalement à l'extérieur à travers la paroi verticale du revêtement 22 de charbon, pour être reliée électriquement à une barre omnibus 31 en aluminium dont l'ex trémité intérieure est noyée dans la paroi iso lante 21. Les barres omnibus 31 sont connec tées au pôle négatif de la source de courant électrolytique.
La cellule étant préparée pour la produc tion, l'électrolyse peut être déclenchée par un des divers procédés connus dans la pratique. Quand la cellule est en plein fonctionne ment, la majeure partie du mélange fondant est à l'état fondu, mais toutefois il se forme une croûte 24a de fondant solide ou refroidi formant un pont sur l'espace compris entre le revêtement 22 de charbon de la cellule et les anodes 26 respectives, le fondant solide s'éten dant également vers le bas des parois du revê tement comme indiqué à la fig. 5.
De l'alu minium se dépose maintenant sur toutes les surfaces exposées des plateaux cathodiques 25, à l'état fondu, et coule vers le bas de ces sur faces pour former une masse 32 de métal fondu s'étendant sur la base du revêtement 22 de charbon, cette masse remplissant également le canal 27. La masse constitue une connexion électrique entre les conducteurs de courant 30 et les plateaux cathodiques 25, pratiquement tout le courant électrolytique étant conduit par l'aluminium, au plus une faible partie du cou rant passant par la base de charbon. L'alumi nium fondu peut être retiré de cette masse de temps en temps selon les nécessités.
Bien que les éléments conducteurs de cou rant décrits plus haut, tels que les barres 5 (ou 5a et 5b) des fig. 1 à 4, et les plateaux cathodiques 25 et les conducteurs de courant 30 des fig. 5 et 6, puissent "être constitués de borure de titane ou de borure de zirconium, on préfère choisir pour ces éléments le borure de titane (TiBz). Comme ce composé est d'une production relativement coûteuse, les plateaux cathodiques 25 peuvent être formés de minces couches exposées de borure, renforcées par un noyau de charbon sur lequel on fait adhérer solidement l'agrégat compact de borure de titane.