EP0126700B1 - Ecran sous-cathodique comportant des zones déformables pour les cuves d'électrolyse Hall-Héroult - Google Patents

Ecran sous-cathodique comportant des zones déformables pour les cuves d'électrolyse Hall-Héroult Download PDF

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EP0126700B1
EP0126700B1 EP84420085A EP84420085A EP0126700B1 EP 0126700 B1 EP0126700 B1 EP 0126700B1 EP 84420085 A EP84420085 A EP 84420085A EP 84420085 A EP84420085 A EP 84420085A EP 0126700 B1 EP0126700 B1 EP 0126700B1
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Yves Bertaud
Michel Leroy
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Rio Tinto France SAS
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Aluminium Pechiney SA
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/085—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes characterised by its non electrically conducting heat insulating parts

Definitions

  • the invention relates to the construction of electrolytic cells for the production of aluminum by the Hall-Héroult process. It relates more particularly to a screen intended to prevent the infiltration of the constituents of the electrolyte in the sub-space. cathodic.
  • the tanks for the production of aluminum by the Hall-Héroult process consist universally of a metal box whose bottom is lined with refractory and insulating material, which supports the carbonaceous blocks forming the cathode on which the liquid aluminum is deposited.
  • the seal between the cathode blocks and between the cathode blocks and the walls of the box is generally ensured by a carbonaceous paste based on pitch and coke or anthracite.
  • cryolite - From the first heating, it can form, through the play of differential expansions, cracks through which the molten electrolyte - consisting essentially of cryolite - begins to infiltrate. This infiltration of cryolite tends to degrade the insulating properties of the underlying refractory material.
  • Liquid aluminum can also infiltrate through the same routes, and therefore attack the insulating refractories located between the carbon cathode and the metal box. In fact, these refractories generally comprise silica or silicates reducible by liquid aluminum.
  • the object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks.
  • the object of the invention is an electrolytic cell comprising at least one metallic steel screen, placed under the base of the carbon blocks constituting the cathode of the electrolytic cell, and extending at least over the entire space located directly above the cathode, characterized in that said screen consists of at least one continuous sheet of steel, at least half of the surface of which consists of a thick part having at least 5 mm, and preferably , 8 to 12 mm thick, and which comprises at least one deformable zone constituted by a steel sheet of thickness less than the thickness of the thick part, arranged at the periphery of said thick part and, s' extending in the zone situated substantially outside the vertical alignment of the cathode blocks, connected to the thick part by a continuous weld, and having at room temperature an elongation before rupture greater than 2%.
  • the screen may include, in the zone located directly above the cathode blocks, a deformable zone constituted by at least one open or preferably closed profile with a wall thickness less than - and preferably equal to approximately half of - l thickness of the thick part of the screen.
  • the tank may also include a complementary screen made up of a plurality of steel sheets of individual thickness less than 5 mm, in superimposed relationship, and disposed between the base of the carbonaceous blocks and the thick part of the screen, on the plumb with the cathode.
  • the tank can also be provided with a complementary screen formed by a steel soleplate connected to each cathode bar by a weld, and in electrical contact with at least 50% of the surface of the lower base of the corresponding carbon block.
  • FIG. 1 to 4 illustrate the implementation of the invention.
  • FIG. 1 represents the zone located directly above the cathode blocks, in which the screen is provided with profiles absorbing the stresses of expansion, and in which a complementary screen appears consisting of the superposition of thin sheets.
  • FIG. 2 shows the detail of the profiles.
  • FIG. 3 represents in diagrammatic section an electrolytic cell according to the invention, on which appears the deformable zone constituted by a thin sheet welded to the periphery of the screen in thick sheet.
  • FIG. 4 represents an additional screen device, welded to the base of the cathode bars.
  • the cathode of the electrolytic cell consists of carbon blocks (1), assembled by seals (2) made of carbon paste.
  • the steel cathode bar (3) is sealed with cast iron in a housing (4), at the base of the carbon block (1).
  • the screen (6) made of sheet steel with a thickness at least equal to 5 mm, (and preferably between 8 and 12 mm), is constituted by a certain number of sections (6A, 6B) connected via a hollow profile such as a steel tube (7) on which they are welded by a continuous watertight bead (8).
  • the thickness of the walls of the tube (7) is less than the thickness of the sheet metal - screen (6) so that the tubes constitute a deformation zone which absorbs the expansions of the screen: it can for example be equal to half (3 mm for a 6 mm screen sheet).
  • the screen rests on the lining (9) at the bottom of the box.
  • the element absorbing the expansions can be a square tube (11) whose wall thickness is also about half the thickness of the screen, or an open profile such as a half square tube (12), which offers more flexibility, but can be a point of weakness due to the thickness reduced, and the resulting risk of faster breakthrough.
  • the arrangement (13) of FIG. 2B is also very favorable from the point of view of flexibility, but has the same drawback.
  • Figure 3 shows, very schematically, an electrolysis tank in cross section, with the metal box (14), the side lining (15) in carbonaceous paste, the cathode blocks (1) in which are sealed the cathode bars (3 ) in steel, the liquid aluminum sheet (16), the electrolyte (17), the anode system (18), the installation bed (9) of the screen (19) and the heat-insulating brickwork at the bottom of the box .
  • the screen (19) consists of a thick steel sheet (with a thickness greater than 5 nm and preferably between 8 and 12 mm) throughout the part where the thermal gradient is low, that is to say - say substantially in line with the cathode blocks (1).
  • the temperature of the different parts of the screen is indicated in the lower part of Figure 3.
  • the peripheral zone of the screen where there is a significant thermal gradient (800 to 500 ° C.), it has been extended by a peripheral part made of thin sheet metal (21), for example 2 to 5 mm, therefore draining a flow of heat. reduced and more easily deformable, especially in traction.
  • the thin sheet is connected to the thick part by a sealed continuous weld (22).
  • this thin sheet will present at room temperature a limit of elongation at break greater than 2%.
  • the thick part of the screen represents more than 50% of the total surface of the cathode blocks.
  • the thinned, deformable peripheral part is situated substantially outside the vertical line of the cathode, that is to say in the region with a high thermal gradient.
  • the screen can either be placed directly on the thermal insulating brickwork (20), or on an intermediate laying bed (9), and it can be separated from the cathode blocks by the laying bed powdery (5).
  • Another means of improving the efficiency and the lifespan of the screen consists in simultaneously using the device which is the subject of our French patent 2,546,184 which consists of a thick sheet steel plate (23) connected to each cathode bar (3) by welding and in electrical contact with at least 50% of the surface of the base of the carbonaceous block (1) either directly or by means of a bonding layer (24), elastic and conductive of the common for example graphite or carbon felt.
  • the implementation of the invention makes it possible to significantly increase the life of the electrolytic cells, and to maintain until the end, the heat losses as low as possible.

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Description

  • L'invention se rapporte à la construction des cuves d'électrolyse pour la production d"aluminium par le procédé Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement un écran destiné à empêcher l'infiltration des constituants de l'électrolyte dans l'espace sous-cathodique.
  • Les cuves pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult sont constituées universellement par un caisson métallique dont le fond est garni de matériau réfractaire et isolant, qui supporte les blocs carbonés formant la cathode sur laquelle se dépose l'aluminium liquide. L'étanchéité entre les blocs cathodiques et entre les blocs cathodiques et les parois du caisson, est généralement assurée par une pâte carbonée à base de brai et de coke ou d'anthracite.
  • Dès la première chauffe, il peut se former, par le jeu des dilatations différentielles, des fissures par lesquelles l'électrolyte fondu - constitué essentiellement par de la cryolithe - commence à s'infiltrer. Cette infiltration de cryolithe tend à dégrader les propriétés isolantes du matériau réfractaire sous-jacent. L'aluminium liquide peut également s'infiltrer par les mêmes voies, et donc attaquer les réfractaires isolants situés entre la cathode carbonée et le caisson métallique. En effet, ces réfractaires comportent généralement de la silice ou des silicates réductibles par l'aluminium liquide.
  • En outre, en particulier pendant les premiers mois de fonctionnement de la cuve d'électrolyse, il se produit une imprégnation progressive du garnissage carboné de la cuve par des éléments constitutifs du bain d'électrolyse, et en particulier le sodium et le fluor. Après avoir traversé le garnissage carboné, ces imprégnations sodo-fluorées peuvent attaquer le garnissage isolant sous-jacent.
  • En conséquence de cette dégradation des isolants thermiques par les imprégnations, I'isolation thermique de la cuve diminue, et les pertes thermiques augmentent. Cela est directement néfaste pour la consommation énergétique à la tonne d'aluminium produite, mais a également pour conséquence qu'il est difficile de trouver un équilibre thermique satisfaisant pour l'ensemble d'une série comportant de nombreuses cuves d'âge différent.
  • Pour limiter les effets de ces infiltrations et imprégnations, on a proposé de placer, au-dessus du matériel isolant, une couche protectrice d'acier (brevet FR-A- 2 388 901 = US-A-4 175 022). Mais, pour qu'un tel écran soit efficace, la demanderesse a constaté qu'il faut lui conférer une épaisseur relativement importante (plus de 5 mm); en outre, il doit être continu, et sa périphérie doit être maintenue à une température suffisamment basse (500 à 600° C) pour éviter que les infiltrations sodo-fluorées (cryolithe) ne le contournent.
  • Dans ces conditions, un écran épais monobloc présente deux inconvénients majeurs:
    • - l'écart de température entre le centre (env. 900°C) et la périphérie (env. 500° C) de l'écran provoque un flux thermique important vers la périphérie de la cuve, ce qui modifie son régime thermique de façon inacceptable, et dégrade les consommations énergétiques.
    • - cet écart de température engendre les dilatations thermiques différentielles importantes entre le centre et la périphérie de l'écran, ce qui provoque des déformations très néfastes pour le garnissage et pour la cathode.
  • La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités.
  • L'objet de l'invention est une cuve d'électrolyse comportant au moins un écran métallique en acier, placé sous la base des blocs carbonés constituant la cathode de la cuve d'électrolyse, et s'étendant au moins sur tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisée en ce que ledit écran est constitué par au moins une tôle d'acier continue, dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie épaisse ayant au moins 5 mm, et de préférence, de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable constituée par une tôle d'acier d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de la partie épaisse, disposée à la périphérie de ladite partie épaisse et, s'étendant dans la zone située sensiblement à l'extérieur de l'aplomb des blocs cathodiques, reliée à la partie épaisse par une soudure continue, et présentant à la température ambiante un allongement avant rupture supérieur à2%.
  • L'écran peut comporter dans la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques, une zone déformable constituée par au moins un profilé ouvert ou de préférence fermé d'épaisseur de paroi inférieure à - et de préférence égale à environ la moitié de - l'épaisseur de la partie épaisse de l'écran.
  • La cuve peut également comporter un écran complémentaire constitué d'une pluralité de tôles d'acier d'épaisseur individuelle inférieure à 5 mm, en relation superposée, et disposé entre la base des blocs carbonés et la partie épaisse de l'écran, à l'aplomb de la cathode.
  • Enfin, la cuve peut également être munie d'un écran complémentaire formé par une semelle en acier raccordée à chaque barre cathodique par une soudure, et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base inférieure du bloc carboné correspondant.
  • Les figures 1 à 4 illustrent la mise en oeuvre de l'invention.
  • La figure 1 représente la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques, dans laquelle l'écran est muni de profilés absorbant les contraintes de dilatation, et dans laquelle apparait un écran complémentaire constitué par la superposition de tôles minces.
  • La figure 2 représente le détail des profilés.
  • La figure 3 représente en coupe schématique une cuve d'électrolyse selon l'invention, sur laquelle apparait la zone déformable constituée par une tôle mince soudée à la périphérie de l'écran en tôle épaisse.
  • La figure 4 représente un dispositif d'écran complémentaire, soudé à la base des barres cathodiques.
  • La cathode de la cuve d'électrolyse est constituée par des blocs carbonés (1), assemblés par des joints (2) en pâte carbonée.
  • La barre cathodique en acier (3) est scellée à la fonte dans un logement (4), à la base du bloc carboné (1). Séparé par un lit de pose pulvérulent (5), l'écran (6) en tôle d'acier d'une épaisseur au moins égale à 5 mm, (et de préférence comprise entre 8 et 12 mm), est constitué par un certain nombre de sections (6A, 6B) reliées par l'intermédiaire d'un profilé creux tel qu'un tube en acier (7) sur lequel elles sont soudées par un cordon continu étanche (8). L'épaisseur des parois du tube (7) est inférieure à l'épaisseur de la tôle - écran (6) de façon que les tubes constituent une zone de déformation qui absorbe les dilatations de l'écran: elle peut être par exemple égale à la moitié (3 mm pour une tôleécran de 6 mm). L'écran repose sur le garnissage (9) du fond du caisson.
  • Il est possible d'augmenter l'efficacité de l'écran (6) et sa durée de vie en disposant entre la base des blocs cathodiques (1) et l'écran (6) une ou plusieurs tôles d'acier (10) de faible épaisseur (1 à 3 mm par exemple) qui agissent, en quelque sorte, comme barrière sacrificielle, vis-à-vis des infiltrations sodo-fluorées qui se produisent de manière prépondérante lors des premiers mois de fonctionnement de la cuve d'électrolyse.
  • D'autres variantes de réalisation de l'écran dans la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques apparaissent sur la figure 2: l'élément absorbant les dilatations peut être un tube carré (11) dont l'épaisseur de paroi est également de l'ordre de la moitié de l'épaisseur de l'écran, ou un profilé ouvert tel qu'un demi- tube carré (12), qui offre plus de souplesse, mais peut constituer un point de faiblesse du fait de l'épaisseur réduite, et du risque de percée plus rapide qui en résulte. La disposition (13) de la figure 2B est également très favorable du point de vue de la souplesse, mais présente le même inconvénient.
  • La figure 3 montre, très schématisée, une cuve d'électrolyse en coupe transversale, avec le caisson métallique (14), le garnissage latéral (15) en pâte carbonée, les blocs cathodiques (1) dans lesquels sont scellées les barres cathodiques (3) en acier, la nappe d'aluminium liquide (16), l'électrolyte (17), le système anodique (18), le lit de pose (9) de l'écran (19) et le briquetage calorifuge du fond du caisson. L'écran (19) est constitué par une tôle épaisse en acier (d'une épaisseur supérieure à 5 nm et de préférence, comprise entre 8 et 12 mm) dans toute la partie où le gradient thermique est faible, c'est-à-dire sensiblement à l'aplomb des blocs cathodiques (1). La température des différentes parties de l'écran est indiquée dans la partie inférieure de la figure 3.
  • Dans la zone périphérique de l'écran où régne un gradient thermique important (800 à 500' C) on l'a prolongé par une partie périphérique en tôle mince (21), par exemple 2 à 5 mm, donc drainant un flux de chaleur réduit et plus facilement déformable, notamment en traction. La tôle mince est reliée à la partie épaisse par une soudure continue étanche (22). De préférence, cette tôle mince présentera à la température ambiante une limite d'allongement à la rupture supérieure à 2%. Dans tous les cas, il est préférable que la partie épaisse de l'écran représente plus de 50 % de la surface totale des blocs cathodiques. La partie périphérique amincie, déformable, est située sensiblement hors de l'aplomb de la cathode, c'est-à-dire dans la région à gradient thermique élevé.
  • Comme dans le cas de la figure 1, l'écran peut être soit posé directement sur le briquetage isolant thermique (20), soit sur un lit de pose intermédiaire (9), et il peut être séparé des blocs cathodiques par le lit de pose pulvérulent (5).
  • Un autre moyen pour améliorer l'efficacité et la durée de vie de l'écran consiste à utiliser, simultanément, le dispositif objet de notre brevet français 2 546 184 qui consiste en une semelle de tôle d'acier épaisse (23) raccordée à chaque barre cathodique (3) par soudure et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base du bloc carboné (1) soit directement, soit par l'intermédiaire d'une couche de liaison (24), élastique et conductrice du courant par exemple du feutre de graphite ou de carbone.
  • Cette semelle, outre qu'elle constitue un premier barrage à la pénétration de produits d'imprégnation sodo-fluorés, offre l'avantage de mettre en présence, de part et d'autre du lit de pose (5) deux matériaux identiques (acier), et de supprimer ainsi le risque de formation d'une pile électrochimique dans le cas où le lit de pose posséderait -ou acquerrait - une conductivité ionique. La corrosion électrochimique de l'écran (6) est ainsi évitée, et la corrosion chimique (par les produits d'imprégnation), fortement retardée.
  • La mise en oeuvre de l'invention permet d'augmenter sensiblement la durée de vie des cuves d'électrolyse, et de maintenir jusqu'à la fin, les pertes thermiques aussi faibles que possible.

Claims (4)

1. Cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé HALL-HEROULT, dont la cathode est constituée par des blocs carbonés dans lesquels sont scellées les barres cathodiques, cette cuve comportant un écran en acier disposé sous les blocs cathodiques et s'étendant au moins sous tout l'espace situé à l'aplomb de la cathode, caractérisée en ce que ledit écran est constitué par au moins une tôle d'acier continue, dont au moins la moitié de la surface est constituée par une partie épaisse (6) ayant au moins 5 mm, et de préférence, de 8 à 12 mm d'épaisseur, et qui comporte au moins une zone déformable constituée par une tôle d'acier (21) d'épaisseur inférieure à l'épaisseur de la partie épaisse, disposée à la périphérie de ladite partie épaisse et, s'étendant dans la zone située sensiblement à l'extérieur de l'aplomb des blocs cathodiques (1), reliée à la partie épaisse par une soudure continue (22), et présentant à la température ambiante un allongement avant rupture supérieur à 2 %.
2. Cuve d'électrolyse, selon revendication 1, caractérisée en ce que l'écran comporte, dans la zone située à l'aplomb des blocs cathodiques, une zone déformable constituée par au moins un profilé ouvert (12) ou de préférence fermé (11) d'épaisseur de paroi égale à environ la moitié de l'épaisseur de la partie épaisse (6).
3. Cuve d'électrolyse, selon revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte, un écran complémentaire (10) constitué d'une pluralité de tôles d'aciers d'épaisseur individuelle inférieure à 5 mm, en relation superposée, et disposé entre la base des blocs carbonés (1) et la partie épaisse (6) de l'écran, à l'aplomb de la cathode.
4. Cuve d'électrolyse, selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre un écran complémentaire formé par une semelle en acier (23) raccordée à chaque barre cathodique (3) par une soudure, et en contact électrique avec au moins 50 % de la surface de la base inférieure du bloc carboné (1) correspondant.
EP84420085A 1983-05-16 1984-05-14 Ecran sous-cathodique comportant des zones déformables pour les cuves d'électrolyse Hall-Héroult Expired EP0126700B1 (fr)

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