OA12942A - Limiteur de fuite d'une cellule d'électrolyse. - Google Patents

Description

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Domaine de l’invention L’invention concerne la production d’aluminium par électrolyse ignée. Elle concerneplus particulièrement les moyens de confinement des effluents gazeux produits 10 durant l’électrolyse.

Etat de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par 15 électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé baind’électrolyte, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d’électrolyte estcontenu dans des cuves, dites « cuves d’électrolyse », comprenant un caisson enacier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et unensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont 20 partiellement immergées dans le bain d’électrolyte. L’ensemble formé par une cuved’électrolyse, ses anodes et le bain d’électrolyte est appelé une cellule d’électrolyse.

La réaction d’électrolyse, les réactions secondaires et les hautes températuresd'opération entraînent la production d'effluents gazeux, qui contiennent surtout du 25 dioxyde de carbone et des produits fluorés. Le rejet de ces effluents dansl'atmosphère est sévèrement contrôlé et réglementé, non seulement en ce quiconcerne l'atmosphère ambiante de la salle d’électrolyse, pour des raisons deconditions de travail du personnel opérant à proximité des cellules, mais égalementen ce qui concerne la pollution atmosphérique. Les réglementations de plusieurs 30 Etats en matière de pollution imposent des limites aux quantités d'effluents rejetéesdans l'atmosphère. 012942

Il existe aujourd'hui des solutions qui permettent d'extraire, de récupérer et de traiterces effluents de manière fiable et satisfaisante. Une solution largement répandueconsiste à munir les cellules d'électrolyse d'un dispositif de captage des effluents. Cedispositif couvre les cuves d'électrolyse et comprend des moyens de confinement, quiincluent notamment un dispositif de capotage, et des moyens d'aspiration et detraitement chimique des effluents. Les procédés connus de traitement des effluentsincluent notamment la récupération des gaz fluorés par réaction avec de l'alumine. Ledispositif de capotage comprend des moyens d'accès, tels que des capots,généralement amovibles, et une porte de coulée, qui permettent d'intervenir sur lacuve.

Le dispositif de capotage délimite une zone d'aspiration confinée et en dépression parrapport à l'atmosphère ambiante, ce qui permet de récupérer efficacement leseffluents. On obtient ainsi des rendements de captage en régime continu supérieurs à97 % dans les installations industrielles les plus modernes, de sorte que les tauxd'émission atmosphérique de produits gazeux fluorés sont nettement inférieurs auxseuils réglementaires.

En général, les anodes sont raccordées à une barre d’alimentation en courantélectrique, située à l’extérieur du dispositif de captage, par l’intermédiaire de tigesmétalliques qui traversent le dispositif par des ouvertures aménagées dans celui-ci.L’espace libre (ou «jeu ») laissé par les tiges dans ces ouvertures n’est pas scelléafin de permettre des déplacements verticaux et horizontaux des tiges métalliques.Les déplacements verticaux sont fréquents et permettent, en particulier, decompenser l’usure des anodes en cours d’électrolyse. Les déplacements horizontauxproviennent généralement des opérations de remplacement des anodes usées.

Les espaces libres entre les tiges d'anode et le bord intérieur des ouvertures depassage constituent une rupture de confinement qui est de faible importance pourchaque tige d’anode, mais qui devient significative pour l’ensemble des anodes d’unecellule, et a fortiori pour une série de plusieurs centaines de cellules. 012942

Description de l’invention

La présente invention a pour objet un limiteur de fuite apte à réduire la rupture deconfinement provenant des ouvertures de passage des tiges d’anode. Plusprécisément, le limiteur de fuite selon l’invention est destiné à limiter les passagesd’air et de gaz entre l’intérieur et l’extérieur du dispositif de captage d’une cellule deproduction d’aluminium par électrolyse ignée au travers des ouvertures de passagedes tiges d’anode.

Le limiteur de fuite d’une cellule d’électrolyse selon l’invention est caractérisé en cequ’il comporte au moins un support, apte à entourer tout ou partie d’une tiged’anode, et au moins un corps d’étanchéité flexible disposé sur tout ou partie dupourtour et destiné à obturer tout ou partie de l'espace libre entre le bord intérieur desouvertures de passage et la tige d’anode.

Le corps flexible assure une certaine étanchéité autour de la tige d’anode et permet lemaintien de cette étanchéité, grâce à la souplesse du corps, en dépit des variationsinévitables de la position de la tige. En particulier, l’invention permet de limitersensiblement les échanges gazeux par ledit espace libre.

Le support est avantageusement en forme d’échancrure afin de simplifier laconstruction du limiteur de fuite et de permettre l’insertion latérale d’une tiged’anode par 1 ’ ouverture de l'échancrure. L’invention a également pour objet une cellule d’électrolyse comportant au moins unlimiteur de fuite selon l’invention. L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description détaillée d’un mode deréalisation préféré de celle-ci qui est exposé ci-dessous et qui est illustré à l’aide desfigures annexées. 012942

La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d’électrolyse typiquedestinée à la production d’aluminium.

La figure 2 représente, en perspective et de manière simplifiée, une partie d’unecellule d’électrolyse typique destinée à la production d’aluminium, (a) sans et (b)avec un limiteur de fuite selon l’invention.

Les figures 3 à 5 illustrent des limiteurs de fuite selon l’invention.

La figure 6 illustre la brosse en U d’un limiteur de fuite selon une variante del’invention.

La figure 7 illustre une section transversale dans l’axe I de la brosse en U du limiteurde fuite illustré à la figure 5.

La figure 8 illustre les sections de Γ à C’ du limiteur de fuite illustré à la figure 5.

Les figures 9 et 10 illustrent des modes d'insertion d'une tige d'anode dans deslimiteurs de fuite selon l’invention.

Tel qu’illustré à la figure 1, une cellule d’électrolyse (1) pour la productiond'aluminium par le procédé Hall-Héroult comprend typiquement une cuve (10), desanodes (2) supportées par les moyens de fixation comportant typiquement une tige(3) et un multipode (4) et reliées mécaniquement et électriquement à un cadreanodique (5) à l’aide de moyens de raccordement (6). La tige d’anode (3) esttypiquement de section sensiblement rectangulaire ou carrée. La cuve (10) comprendun caisson (7) en acier, des éléments de revêtement intérieur (8) et un ensemblecathodique (9). Les éléments de revêtement (8) et l'ensemble cathodique (9) forment,à l'intérieur de la cuve (10), un creuset apte à contenir le bain d'électrolyte (11) et unenappe de métal liquide (12). 012942

La cellule d’électrolyse (1) comprend également une charpente métallique (13), quisupporte, notamment, le cadre anodique (5) de manière mobile, et un dispositif decaptage des effluents comportant des moyens de confinement (14, 15) et délimitantun espace intérieur confiné (16). Les moyens de confinement comprennenttypiquement des capots amovibles (14) et un capot fixe (15).

Tel qu’illustré à la figure 2(a), le dispositif de captage comporte des ouvertures (17)aptes à laisser passer librement une tige d’anode (3). Cette ouverture prend le plussouvent la forme d’un créneau afin de permettre l’insertion d’une tige d’anode. Lesanodes (2) sont généralement introduites ou retirées d’une cellule d’électrolyse parinsertion latérale après enlèvement d’un ou de plusieurs capots (14). Par conséquent,l’ouverture (17) est telle qu’elle permet une insertion latérale de la tige (3) de l’anode (2), avec ou sans déplacement longitudinal de celle-ci, c’est-à-dire avec ou sansdéplacement de celle-ci le long de Taxe principal de la cellule.

La figure 2(b) illustre de manière schématique le positionnement du limiteur de fuite(20) selon l’invention dans l’ouverture de passage d’une anode (17).

Le limiteur de fuite (20) d’une cellule d’électrolyse (1) pour la productiond’aluminium munie de moyens de confinement (14, 15) comportant des ouverturesde passage (17) pour l'insertion de tiges d'anode (3), est caractérisé en ce qu’ilcomporte au moins un support (21), apte à entourer tout ou partie d’une tige d’anode,et au moins un corps d’étanchéité flexible (30, 30a, 30b, 30c) disposé sur tout oupartie du pourtour (23) du support (21) et destiné à obturer tout ou partie de l'espacelibre entre le bord intérieur (18) d'une ouverture (17) et une tige d’anode (3).

Le support (21) peut prendre différentes formes, telles que des formes sensiblementrectilignes, courbes ou autres. En outre, le support (21) peut être formé de différentséléments.

Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le ou les supports (21) forment une ouverture, ou « échancrure », (26) apte à permettre l’insertion latérale 012942 6 d’une tige d’anode (3). L’ouverture (26) prend typiquement la forme d’un U ou d’uncadre à trois côtés. Le ou les corps d’étanchéité (30, 30a, 30b, 30c) sont disposés surle pourtour intérieur (23) de l’ouverture (26).

Dans ce mode de réalisation, le limiteur de fuite (20) entoure au moins trois côtés dela tige d’anode (3). Le corps d’étanchéité (30) peut être d’une forme telle qu’ilcouvre également le quatrième côté de la tige. Le limiteur de fuite (20) peutéventuellement comprendre un élément d’obturation complémentaire (20'), mobileou amovible, apte à limiter les fuites par le quatrième côté après l’insertion de la tige.Cet élément d'obturation complémentaire (20') peut comprendre un support (21')muni d'un corps d'étanchéité flexible (30'). Cet élément complémentaire peutoptionnellement être fixé au capot fixe (15) ou au capot mobile (14) situé à proximitéde la tige d’anode.

La figure 3 illustre le cas où le corps d’étanchéité est formé d’un seul élément (30).La figure 4 illustre le cas où le corps d’étanchéité est formé de trois élémentsdistincts (30a, 30b, 30c) juxtaposés.

Tel qu’illustré à la figure 5, le corps d’étanchéité jouxte la tige d’anode, mais n’estpas nécessairement en contact avec celle-ci. Il peut en être séparé de quelquesmillimètres, typiquement 2 ou 3 mm, sans diminuer de manière significative le gaind’étanchéité obtenu avec le dispositif de l’invention.

Le corps d’étanchéité flexible peut être formé de tout élément souple apte à obturerefficacement tout ou partie dudit espace libre. Il peut, par exemple, être formé de fils,de lamelles, de corps spongieux ou de tubes souples, ou de toute combinaison deceux-ci. Il peut être métallique ou non-métallique.

Le corps d’étanchéité flexible (30) est de préférence apte à résister à l’atmosphère del’espace intérieur (16) de la cellule d’électrolyse et à maintenir leur propriétésmécaniques aux températures atteintes dans cet environnement. 012942

Le corps d’étanchéité flexible (30) est avantageusement formé d’un faisceau de filsmétalliques et/ou non-métalliques. La demanderesse a noté que le faisceau de filspermet le maintien d’une certaine étanchéité autour de la tige d’anode, grâce à ladensité des fils, et que cette étanchéité est maintenue, grâce à la souplesse des fils, endépit des variations inévitables de la position de la tige. Les fils permettentégalement de maintenir une bonne étanchéité malgré les défauts de surface de la tiged’anode.

Il a été trouvé très satisfaisant d’utiliser des fils en acier inoxydable. Les corpsd'étanchéité formés de tels fils résistent bien aux sollicitations mécaniques par la tiged’anode lors de ses mouvements et présentent une souplesse suffisante.

Les fils du faisceau (30) sont suffisamment serrés pour produire une perte de chargeimportante entre l’extérieur et l’intérieur du dispositif de captage. Il a été trouvésuffisant d’utiliser une densité linéique de 100 à 1000 fils par centimètre le long dupourtour. L’épaisseur du faisceau est typiquement supérieure à 0,5 cm. Le diamètredes fils est typiquement compris entre 0,1 et 1 mm. L’angle a d’ouverture dufaisceau de fils métalliques est typiquement compris entre 0 et 45°, et plustypiquement entre 0 et 30°. La longueur L des fils métalliques sortant du support esttypiquement comprise entre l et 10 cm.

Selon une variante avantageuse de l’invention, au moins un corps d’étanchéitéflexible (30, 30a, 30b, 30c) est fixé à un deuxième support, ou « monture », (32)mobile par rapport au support (21), c'est-à-dire apte à se déplacer par rapport ausupport (21).

Dans cette variante, le support (21) possède typiquement une ouverture allongée(22), sur son pourtour intérieur (23), et la monture (32) s’insère, de manière mobile,dans cette ouverture. La monture (32) et corps d’étanchéité flexible (30, 30a, 30b,30c) forment alors un ensemble mobile, ou «tiroir», (31) qui améliore l’auto-positionnement des moyens d’étanchéité lors des mouvements de la tige d’anode. Le 012942 mouvement de l’ensemble monture/corps d’étanchéité (31) est typiquementsensiblement perpendiculaire à la tige d’anode (3).

Dans ce mode de réalisation de l’invention, le corps d’étanchéité flexible (30, 30a,30b, 30c) et la monture (32) sont de préférence en matériaux amagnétiques, afin dene pas développer de force magnétique en présence du champ magnétique intensequi règne dans l’environnement de la cellule, ce qui permet d’éviter un blocage dumouvement par ce champ magnétique. Par exemple, la monture (32) estavantageusement en aluminium ou en alliage d’aluminium, et les fils en acierinoxydable amagnétique.

La mobilité des éléments (31) dans le support (21) peut faciliter l’entretien ou leremplacement de celle-ci en cas d’usure ou d’endommagement.

De préférence, le limiteur de fuite (20) comprend en outre au moins un élément deliaison (25) entre le support (21) et la ou chaque monture (32), pour contrôler ledéplacement du ou des corps d’étanchéité (30, 30a, 30b, 30c) par rapport au support(21). L’élément de liaison est typiquement fixé à la monture (32). Au moins unélément de liaison est avantageusement un élément élastique, tel qu’un ressort ou unelame élastique, afin de favoriser l’auto-positionnement de la ou des brosses parrapport à la tige d’anode (3). Il est éventuellement possible d’utiliser des bielletteset/ou des moyens de guidage, éventuellement combinés à un ou des élémentsélastiques.

Les figures 5 à 8 illustrent un mode de réalisation préféré de l’invention, dans lequelle corps d’étanchéité (30, 30a, 30b, 30c) est formé de fils fixés à une monture mobileunique (32) apte à se déplacer par rapport au cadre (21).

La figure 5 (b) correspond à une vue en coupe longitudinale du limiteur de la figure5(a) qui révèle l’ensemble monture/fils (31), appelé «brosse», situé en partie àl’intérieur du support (21). Le profil de la tige d’anode (3) est vu en pointillé. La 012942 9 figure 6 représente la brosse (31) seule, vue dans son plan principal (a) et vue sur latranche (b). L’insertion latérale d’une tige d’anode (3) se fait normalement le long de l’axe Ι-Γillustré aux figures 5 et 6. Les figures 9 et 10 illustrent deux modes d'insertion d'unetige d'anode. La figure 9 correspond au cas d'une insertion unidirectionnelle. Lafigure 10 correspond au cas d'une insertion bidirectionnelle avec déplacement dulimiteur de fuite par rapport à la cellule d'électrolyse.

Le support (21) et la monture (32) sont typiquement en métal afin d’assurer unetenue mécanique suffisante. L’aluminium et les alliages d’aluminium, qui sontamagnétiques, peuvent avantageusement être utilisés.

La rigidité du support (21) permet, en outre, au limiteur de fuite de supporter, sans sedétériorer, l’appui éventuel du pied d’un opérateur.

Le limiteur de fuite (20) peut être fixé de manière rigide ou mobile à la celluled’électrolyse, et plus précisément à un élément de structure de celle-ci ou audispositif de captage. A cette fin, le support (21) comprend avantageusement desmoyens (24) pour le fixer, de préférence de manière amovible, sur la celluled’électrolyse. Une fixation amovible, telle qu’elle peut être obtenue par exemple àl’aide de boulons et d’écrous (29), permet d’enlever aisément le limiteur de fuite sansenlever l’anode.

Bien qu’une fixation rigide soit suffisante dans plusieurs cas, une fixation mobiledonne un degré de liberté supplémentaire au limiteur de fuite qui permet uneadaptation plus facile de sa position par rapport à la tige d’anode. Ce degré de libertésupplémentaire est particulièrement utile lorsque l’ouverture de passage (17) de latige d’anode est de grande dimension par rapport à la section de la tige et permet ungrand débattement de celle-ci lors de sa mise en place et/ou de son utilisation. 012942 10

Ce degré de liberté est également utile lorsque l’ouverture (17) possède une formeplus compliquée qu’un simple créneau et que l’engagement de la tige d’anode (3)dans l’ouverture (17) est bidirectionnel, c’est-à-dire qu’il comporte un déplacementde la tige longitudinalement et transversalement à l’axe principal de la cellule, tel quecelui illustré à la figure 10. Dans un tel cas, le limiteur de fuite possède typiquementune position ouverte (figure 10(a)) et une position fermée (figure 10(b)). Le limiteurde fuite (20) comprend alors avantageusement un ou des éléments d’obturationcomplémentaires (33, 34), tels qu'une plaque, destinés à maintenir l'étanchéité dulimiteur lors de ses déplacements. Ces éléments complémentaires peuvent être fixesou mobiles. Le limiteur de fuite (20) mobile peut éventuellement coopérer avec unou plusieurs élément d'obturation fixe (20') pour maintenir l'étanchéité du dispositiflors de ses déplacements. Les déplacements du limiteur de fuite peuvent être guidéspar un élément de guidage (35), tel qu'un rail.

Lorsque le limiteur de fuite (20) contient des éléments métalliques, notamment àproximité de la tige d’anode, tels qu’un support métallique ou des fils métalliques, ilest préférable d’isoler électriquement le limiteur de fuite de la cellule d’électrolyseafin d’éviter les courts-circuits lors de la manipulation de l’anode. Cette isolationpeut être obtenue en interposant un isolant électrique (27,28,28’) entre le limiteur defuite et la cellule d’électrolyse. Par exemple, dans le cas illustré à la figure 8, lelimiteur de fuite (20) est isolé de la cellule (1) à l’aide d’une plaque isolante (27)interposée entre le support (21) et le moyen de confinement (15) et à l’aide d’un tube(28) et d’une rondelle (28’) interposés entre les moyens de fixations (29) et le moyende confinement (15).

La simplicité du mécanisme d’étanchéité du limiteur de fuite selon l’invention luiconfère une résistance satisfaisante aux conditions d’ambiance, et en particulier laprésence de poussières d’alumine ou de bain broyé qui pourraient bloquer ou enrayerdes mécanismes comprenant des axes de pivotement ou de rotation.

Le limiteur de fuite selon l’invention présente également l’avantage d’avoir facilement un faible volume. L’épaisseur totale du limiteur selon l’invention est 012942 11 typiquement de 3 à 4 cm seulement, ce qui permet de le positionner facilement entrele cadre anodique (5) et le capot (15). L’invention présente également l’avantage de ne pas nécessiter d’interventionmanuelle, ni d’actionneur spécifique, ce qui simplifie son utilisation et augmente safiabilité.

Liste des repères 1 Cellule d’électrolyse 2 Anodes 3 Moyen de fixation et d’amenée de courant (tige) 4 Moyen de fixation et d’amenée de courant (multipode) 5 Cadre anodique 6 Moyens de raccordement de la tige sur le cadre anodique 7 Caisson 8 Revêtement intérieur 9 Ensemble cathodique 10 Cuve 11 Bain d’électrolyte 12 Aluminium liquide 13 Charpente métallique 14 Moyen de confinement (capot amovible) 15 Moyen de confinement (capot fixe) 16 Espace intérieur confiné 17 Ouverture de passage d’une tige d’anode 18 Bord intérieur de l'ouverture de passage d'une tige d'anode 20 Limiteur de fuite 20' Elément d'obturation complémentaire 21,21' Support du limiteur de fuite 22 Ouverture allongée 23 Pourtour intérieur du support 012942 12

Moyen de fixationElément de liaisonOuverture du limiteurIsolant électrique (plaque)

Isolant électrique (tube)

Isolant électrique (rondelle)

Boulon et écrou 30b, 30c, 30' Corps d’étanchéité flexible

Ensemble monture/corps d’étanchéité mobileMonture

Elément d’obturation complémentaireMoyen de guidage

Claims (14)

1. 012942 13 REVENDICATIONS

   1. Limiteur de fuite (20) d’une cellule d’électrolyse (1) pour la productiond’aluminium munie de moyens de confinement (14, 15) comportant desouvertures de passage (17) pour l'insertion de tiges d'anode (3), caractérisé ence qu’il comporte au moins un support (21), apte à entourer tout ou partied’une tige d’anode, et au moins un corps d’étanchéité flexible (30, 30a, 30b,30c) disposé sur tout ou partie du pourtour (23) du support (21) et destiné àobturer tout ou partie de l'espace libre entre le bord intérieur (18) d'uneouverture (17) et une tige d’anode (3) et en ce que le ou les supports (21)forment une ouverture, ou « échancrure », (26) apte à permettre l’insertionlatérale d’une tige d’anode (3).
2. 2. Limiteur de fuite (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ouchaque corps d’étanchéité flexible (30, 30a, 30b, 30c) est formé d’au moins unélément choisi parmi les fils, les lamelles, les corps spongieux, les tubessouples ou une combinaison de ceux-ci.
3. 3. Limiteur de fuite (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ouchaque corps d’étanchéité flexible (30, 30a, 30b, 30c) est formé d’un faisceaude fils métalliques et/ou non-métalliques.
4. 4. Limiteur de fuite (20) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceaude fils est en acier inoxydable.
5. 5. Limiteur de fuite (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4,caractérisé en ce qu’au moins un corps d’étanchéité flexible (30,30a, 30b, 30c)est fixé à un deuxième support, ou « monture », (32) mobile par rapport ausupport (21). 012942 14
6. 6. Limiteur de fuite (20) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit corpsd’étanchéité flexible (30, 30a, 30b, 30c) et la monture (32) sont en matériauxamagnétiques.
7. 7. Limiteur de fuite (20) selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins un élément de liaison (25)entre le support (21) et la ou chaque monture (32), pour contrôler ledéplacement du ou des corps d’étanchéité (30, 30a, 30b, 30c) par rapport ausupport (21). 10
8. 8. Limiteur de fuite (20) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’au moinsun élément de liaison (25) est élastique.
9. 9. Cellule d’électrolyse (1), caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un 15 limiteur de fuite (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.
10. 10. Cellule d’électrolyse (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la ouchaque limiteur de fuite (20) est fixé à la cellule de manière rigide.
11. 11. Cellule d’électrolyse (1) selon la revendication 9, caractérisée en ce que la ou chaque limiteur de fuite (20) est fixé à la cellule de manière mobile.
12. 12. Cellule d’électrolyse (1) selon la revendication 11, caractérisée en ce que la ouchaque limiteur de fuite (20) comporte au moins un élément d’obturation 25 complémentaire (33, 34) destiné à maintenir l'étanchéité de chaque limiteur (20) lors de ses déplacements.
13. 13. Cellule d’électrolyse (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 12,caractérisée en ce que la ou chaque limiteur de fuite (20) est fixé à la cellule de 30 manière amovible. 012942 15
14. 14. Cellule d’électrolyse (1) selon l’une quelconque des revendications 9 à 13,caractérisé en ce qu’au moins un isolant électrique (27, 28, 28’) est interposéentre la cellule (1) et au moins un limiteur de fuite (20).