WO2004027119A2 - Procede de prechauffage d'une cuve pour la production d'aluminium par electrolyse - Google Patents

Procede de prechauffage d'une cuve pour la production d'aluminium par electrolyse Download PDF

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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

Definitions

  • the present invention relates to a process for preheating a tank provided with anodes and cathodes for the production of aluminum by electrolysis.
  • Aluminum is produced industrially by igneous electrolysis, that is to say by electrolysis of alumina in solution in a molten cryolite bath.
  • This bath is contained in a tank comprising a steel box, which is coated internally with refractory and / or insulating materials, and a cathode assembly located at the bottom of the tank.
  • Anodes made of carbonaceous material are partially immersed in the electrolysis bath.
  • the electrolysis current which circulates in the electrolysis bath and the sheet of liquid aluminum via the anodes and cathode elements, operates the alumina reduction reactions and also makes it possible to maintain the bath. electrolysis at a temperature of the order of 950 ° C.
  • the tanks are arranged in series and are subjected to a current of the same intensity.
  • it is necessary to ensure the temperature rise of the tank which is initially cold. This is a delicate operation during which thermal shocks must be avoided.
  • a tank requires a very large investment and has a lifespan typically between 3 and 7 years. It is therefore necessary to take all the precautions so as not to reduce the period of activity of the tank. For this, the temperature rise within the tank must be slow, typically 20 ° C per hour.
  • a uniform layer of a conductive granular material is deposited between the anodes and the cathodes, this layer then authorizing a process for preheating the tank by resistance.
  • the object of the present invention is to solve the drawbacks mentioned above, and for this purpose relates to a process for preheating a tank provided with anodes and cathodes for the production of aluminum by electrolysis, said process comprising a first step, before current supply to the tank, during which a layer of a conductive granulated material is deposited and then crushed between the anodes and the cathodes, characterized in that the conductive granulated material is based on graphite and in that the layer of granulated material conductor extends, after crushing, only on a part of the lower surface of each anode.
  • the use of such a layer of conductive granulated material makes it possible to preheat the tank to the desired temperature in a reasonable period of time of the order of 60 hours, without using shunts having disadvantages in terms of safety. and productivity.
  • the use of graphite on only part of the contact surface of each anode makes it possible to increase the resistance, and thus to accelerate the rise in temperature and to reduce the duration of the operation.
  • this effect comes from the improvement in the reproducibility of the total resistance offered by the layer of conductive granulated material. Indeed, this resistance depends on the pressure exerted on the layer and the thickness of this layer.
  • a well chosen surface / thickness pair will then make it possible to obtain a total resistance that is not very sensitive to variations in these parameters and will generate fewer hot spots on the cathodes.
  • the arrangement of the granulated material makes it possible to adapt the resistance to obtain the most uniform heating profile possible. Indeed, the degree of freedom released by not covering the entire contact surface of each anode makes it possible to accentuate the heating of the parts which are most subject to thermal losses.
  • the layer of conductive granulated material covers, after crushing, between 5 and 40%, typically 5 to 20%, of the lower surface of each anode.
  • Said layer of carbonaceous material preferably also takes the form of studs.
  • the deposition of the layer of conductive granular material is preferably carried out in the form of studs.
  • the number of these is advantageously between 3 and 20, inclusive, and is typically between 4 and 8, inclusive.
  • These studs can be aligned, but can also be staggered, or even asymmetrically.
  • these studs can be of different sizes and have any general shape in section, in particular circular or oval.
  • two or more studs can have a section of different size (corresponding to a different diameter in the case of studs with cricular section).
  • each pad has an initial thickness, before crushing, of between 0.5 and 4 cm. After crushing, the thickness is typically between 0.5 and 3 cm. In a particularly advantageous manner, each pad has a thickness respectively, before crushing, of the order of 3 cm, and after crushing, of the order of 2 cm.
  • the studs are produced using a template placed on the cathodes and comprising a plate provided with several orifices in each of which is introduced conductive granulated material.
  • the graphite grains of the conductive granular material have a size of between 1 and 8 mm.
  • This conductive granulated material, based on graphite can also comprise at least one other material capable of varying its resistivity, such as an under-calcined carbon material or alumina.
  • the invention also relates to a process for preheating a tank by the production of aluminum, comprising the following steps: - formation of a layer of the conductive granulated material on a part of the surface of a cathode,
  • each anode placed on the layer of granulated material, - establishing an electrical connection between the rod of each anode and the anode frame,
  • each anode on the layer of granulated material causes the compression of this layer, which is generally crushed under the action of the weight of the anode assembly.
  • Figure 1 is a sectional view of a tank after deposition of the conductive granulated material and crushing of the latter between the anodes and the cathodes.
  • FIG. 2 is a top view of a template for depositing the studs within the tank.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the template shown in FIG. 2.
  • Figure 4 is a view of a pad of conductive granulated material after removal of the template.
  • a tank 1 for the production of aluminum by electrolysis typically comprises a metal box 2 internally lined with refractory materials 3, 4, cathodes 5 made of carbonaceous material, anode assemblies 6, an anode frame 7, means 8, such as covers, for recovering the effluents emitted by the tank 1 in operation, and means 9 for supplying the tank with alumina and / or AIF3.
  • the anode assemblies 6 each comprise at least one anode (or anode block) 10 and a rod 1 1, the latter typically having a multipode 1 2 for fixing the anode 10.
  • a first step is carried out during which studs 13 of a granulated material conductor 25 essentially based on graphite have been placed, then crushed between the cathodes 5 and the anodes 10. More precisely, the various studs 13 are placed discontinuously between the cathodes 5 and the lower surface (or "contact surface") 14 of each of the anodes 10. Each contact surface 14 is then partially in contact with the conductive granulated material 25.
  • the latter is advantageously made using grains of which 90 to 95% have a particle size between 1 and 8 mm.
  • These pads 13 are advantageously arranged so as to heat the periphery more than the center of each cathode 5 which is generally warmer. In operation, the parts close to the walls of the tank 1 can thus benefit from a more efficient rise in temperature.
  • Tests were carried out on several Pechiney AP-30 tanks in which four studs similar to those described above were placed for each anode, the tanks being moreover fitted with graphitic cathode blocks. The tests were carried out at an intensity of 305 kA, the circuit being made without shunt by removing the elements which short-circuit the tank.
  • a template 15 was used to position the studs 13 in the tank 1 before setting up the anode assemblies 6. More specifically, such a template 15 is produced in the form of a plate 16 comprising several aligned holes 17, which are four in number in this case.
  • the plate 16 has a length of about 1.50 m, a width of 65 cm, and a thickness of 3 cm.
  • the orifices 17 are substantially circular and have a diameter of the order of 20 cm.
  • This plate 16 is firstly placed in the tank 1 in contact with a cathode 5.
  • the orifices 17 are then filled with the aid of the conductive granulated material 25, and the plate 16 is finally removed.
  • each pad 13 of conductive granulated material 25 flares slightly and turns into a conical trunk having a diameter of 20 to 24 cm at the base, and a diameter from 14 to 16 cm at the top. The conical trunks are then crushed under the weight of each anode assembly.
  • thermocouples were inserted on the surface of the anode blocks as follows: three were inserted in the central corridor, two in each of the two lateral corridors, one at each of the two heads, and two at opposite angles.
  • thermocouples located in the central corridor were in the range of 850 and 1000 ° C. All the other thermocouples were above the minimum targets, namely, more than 700 ° C in the heads, more than 600 ° C in the side aisles, and more than 500 ° C in the corners. In addition, no hot spots were apparent on the cathodes. Finally, at any time, the temperature rise in the central corridor was carried out at less than 30 ° C per hour.
  • connection of the anode rods to the anode frame can be advantageously carried out using preheating hoses.

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de préchauffage d’une cuve (1) pourvue d’anodes (10) et de cathodes (5) pour la production d’aluminium par électrolyse, ledit procédé comprenant une première étape, avant alimentation en courant de la cuve, durant laquelle une couche d’un matériau granulé conducteur est déposée puis écrasée entre les anodes et les cathodes, caractérisé en ce que le matériau granulé conducteur est à base de graphite et en ce que la couche du matériau granulé conducteur ne s’étend, après écrasement, que sur une partie de la surface inférieure (14) de chaque anode et prend la forme de plots (13).

Description

Procédé de préchauffage d'une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse
La présente invention se rapporte à un procédé de préchauffage d'une cuve pourvue d'anodes et de cathodes pour la production d'aluminium par électrolyse.
L'aluminium est produit industriellement par électrolyse ignée, c'est-à-dire par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue. Ce bain est contenu dans une cuve comprenant un caisson d'acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyse et la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950°C.
Les cuves sont disposées en série et sont soumises à un courant de même intensité. Cependant, avant d'aboutir à la production d'aluminium proprement dite, il est nécessaire d'assurer la mise en température de la cuve qui est initialement froide. Ceci est une opération délicate durant laquelle il faut éviter les chocs thermiques. En effet, une cuve nécessite un investissement très important et possède une durée de vie typiquement comprise entre 3 et 7 ans. Il est donc nécessaire de prendre toutes les précautions de façon à ne pas réduire la période d'activité de la cuve. Pour cela, la montée en température au sein de la cuve doit être lente, typiquement de 20°C par heure.
Dans un procédé de préchauffage connu, une couche uniforme d'un matériau granulé conducteur est déposée entre les anodes et les cathodes, cette couche autorisant alors un procédé de préchauffage de la cuve par résistance.
Il a déjà été proposé d'utiliser un matériau carboné et plus particulièrement du coke comme matériau granulé conducteur. L'emploi de coke conduit à une résistance trop forte rendant obligatoire l'utilisation de shunts qui sont progressivement ôtés (tel que décrit dans "Cathodes in Aluminium Electrolysis", de M. Sortie et H. A. 0ye, Aluminium Verlag, 1 994, pp. 77-83).
La présente invention a pour objet de résoudre les inconvénients précédemment évoqués, et concerne à cet effet un procédé de préchauffage d'une cuve pourvue d'anodes et de cathodes pour la production d'aluminium par électrolyse, ledit procédé comprenant une première étape, avant alimentation en courant de la cuve, durant laquelle une couche d'un matériau granulé conducteur est déposée puis écrasée entre les anodes et les cathodes, caractérisé en ce que le matériau granulé conducteur est à base de graphite et en ce que la couche du matériau granulé conducteur ne s'étend, après écrasement, que sur une partie de la surface inférieure de chaque anode.
Ainsi, l'emploi d'une telle couche de matériau granulé conducteur permet de préchauffer la cuve à la température souhaitée dans une période de temps raisonnable de l'ordre de 60 heures, sans pour autant utiliser de shunts présentant des inconvénients en terme de sécurité et de productivité. L'utilisation de graphite sur une partie seulement de la surface de contact de chaque anode permet d'augmenter la résistance, et ainsi d'accélérer la montée en température et de réduire la durée de l'opération. De plus, il est possible d'obtenir une température plus homogène des cathodes au sein de la cuve. D'une part, cet effet provient de l'amélioration de la reproductibilité de la résistance totale offerte par la couche de matériau granulé conducteur. En effet, cette résistance dépend de la pression exercée sur la couche et de l'épaisseur de cette couche. Un couple surface/épaisseur bien choisi permettra alors d'obtenir une résistance totale peu sensible aux variations de ces paramètres et engendrera moins de points chauds sur les cathodes. D'autre part, la disposition du matériau granulé permet d'adapter la résistance pour obtenir un profil de chauffage le plus uniforme possible. En effet, le degré de liberté dégagé en ne couvrant pas toute la surface de contact de chaque anode permet d'accentuer le chauffage des parties qui sont les plus soumises aux pertes thermiques.
Un autre avantage de ce procédé réside dans le fait que la quantité de poussière de carbone à enlever du bain d'électrolyse après le démarrage de la cuve est nettement moins importante. Préférentiellement, la couche du matériau granulé conducteur recouvre, après écrasement, entre 5 et 40 %, typiquement de 5 à 20 %, de la surface inférieure de chaque anode.
Ladite couche de matériau carboné prend de préférence encore la forme de plots. En d'autres termes, au niveau de chaque anode, le dépôt de la couche de matériau granulé conducteur est, de préférence, réalisé sous la forme de plots. Le nombre de ces derniers est avantageusement compris entre 3 et 20, inclusivement, et est typiquement entre 4 et 8, inclusivement. Ces plots peuvent être alignés, mais peuvent être également disposés en quinconce, ou même de façon dissymétrique. De plus, ces plots peuvent être de tailles différentes et posséder toute forme générale en section, notamment circulaire ou ovale. En particulier, deux ou plusieurs plots peuvent avoir une section de taille différente (correspondant à un diamètre différent dans le cas des plots de section criculaire). Une concentration plus importante de plots peut être prévue à proximité de certaines parties de la cuve, par exemple les parois de la cuve, de façon à obtenir une montée en température satisfaisante dans l'ensemble de la cuve. Préférentiellement, chaque plot possède une épaisseur initiale, avant écrasement, comprise entre 0,5 et 4 cm. Après écrasement, l'épaisseur est typiquement comprise entre 0,5 et 3 cm. De façon particulièrement avantageuse, chaque plot possède une épaisseur respectivement, avant écrasement, de l'ordre de 3 cm, et après écrasement, de l'ordre de 2 cm.
Préférentiellement encore, les plots sont réalisés à l'aide d'un gabarit placé sur les cathodes et comprenant une plaque munie de plusieurs orifices dans chacun desquels est introduit du matériau granulé conducteur.
Avantageusement, 90 à 95% des grains de graphite du matériau granulé conducteur possèdent une taille comprise entre 1 et 8 mm. Ce matériau granulé conducteur, à base de graphite, peut également comprendre au moins un autre matériau apte à faire varier sa résistivité, tel qu'un matériau carboné sous-calciné ou de l'alumine.
L'invention concerne, également, un procédé de préchauffage d'une cuve par la production d'aluminium, comprenant les étapes suivantes : - formation d'une couche du matériau granulé conducteur sur une partie de la surface d'une cathode,
- mise en appui de chaque anode sur la couche de matériau granulé, - établissement d'une liaison électrique entre la tige de chaque anode et le cadre anodique,
- mise en circuit de la cuve de manière à faire circuler un courant électrique entre les cathodes et les anodes.
La mise en appui de chaque anode sur la couche de matériau granulé entraîne la mise en compression de cette couche, qui est généralement écrasée sous l'action du poids de l'ensemble anodique.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation préféré de l'invention qui est exposé ci- dessous et des figures annexées. La figure 1 est une vue en coupe d'une cuve après dépôt du matériau granulé conducteur et écrasement de ce dernier entre les anodes et les cathodes.
La figure 2 est une vue de dessus d'un gabarit permettant le dépôt des plots au sein de la cuve. La figure 3 est une vue en coupe transversale du gabarit représenté à la figure 2.
La figure 4 est une vue d'un plot de matériau granulé conducteur après enlèvement du gabarit.
Tel qu'illustré à la figure 1 , une cuve 1 pour la production d'aluminium par électrolyse comprend typiquement un caisson 2 métallique garni intérieurement de matériaux réfractaires 3, 4, des cathodes 5 en matériau carboné, des ensembles anodiques 6, un cadre anodique 7, des moyens 8, tels que des capots, pour récupérer les effluents émis par la cuve 1 en fonctionnement, et des moyens 9 pour alimenter la cuve en alumine et/ou en AIF3. Les ensembles anodiques 6 comprennent chacun au moins une anode (ou bloc anodique) 10 et une tige 1 1 , cette dernière présentant typiquement un multipode 1 2 pour fixer l'anode 10.
En vue du préchauffage de la cuve 1 , et avant la mise en circuit de la cuve qui fait circuler un courant électrique entre les cathodes 5 et les anodes 10, il est procédé à une première étape durant laquelle des plots 13 d'un matériau granulé conducteur 25 essentiellement à base de graphite ont été disposés, puis écrasés entre les cathodes 5 et les anodes 10. Plus précisément, les différents plots 13 sont placés de façon discontinue entre les cathodes 5 et la surface inférieure (ou "surface de contact") 14 de chacune des anodes 10. Chaque surface de contact 14 est alors partiellement en contact avec le matériau granulé conducteur 25. Ce dernier est, avantageusement, réalisé à l'aide de grains dont 90 à 95 % présentent une granulométrie comprise entre 1 et 8 mm. Ces plots 13 sont avantageusement disposés de façon à chauffer plus la périphérie que le centre de chaque cathode 5 qui est généralement plus chaud. En fonctionnement, les parties proches des parois de la cuve 1 peuvent ainsi bénéficier d'une montée en température plus efficace.
Il a été réalisé des essais sur plusieurs cuves Pechiney AP-30 dans lesquelles quatre plots similaires à ceux décrits précédemment ont été disposés pour chaque anode, les cuves étant par ailleurs équipées de blocs cathodiques graphitiques. Les essais ont été réalisés à une intensité de 305 kA, la mise en circuit se faisant sans shunt en retirant les éléments qui courcircuitent la cuve.
Comme montré aux figures 2 et 3, un gabarit 15 a été utilisé pour positionner les plots 13 dans la cuve 1 avant mise en place des ensembles anodiques 6. Plus précisément, un tel gabarit 15 est réalisé sous la forme d'une plaque 16 comportant plusieurs orifices 17 alignés, qui sont au nombre de quatre en l'espèce. La plaque 16 possède une longueur d'environ 1 ,50 m, une largeur de 65 cm, et une épaisseur de 3 cm. Les orifices 17 sont sensiblement circulaires et présentent un diamètre de l'ordre de 20 cm.
Cette plaque 16 est tout d'abord placée dans la cuve 1 au contact d'une cathode 5. Les orifices 17 sont ensuite remplis à l'aide du matériau granulé conducteur 25, et la plaque 16 est finalement ôtée. Comme indiqué à la figure 4, à l'enlèvement de la plaque 16, chaque plot 13 de matériau granulé conducteur 25 s'évase légèrement et se transforme en un tronc conique présentant un diamètre de 20 à 24 cm à la base, et un diamètre de 14 à 16 cm au sommet. Les troncs coniques s'écrasent ensuite sous le poids de chaque ensemble anodique.
Le dessus des anodes et le couloir central 18 ont été calorifuges avec de la laine de roche, et des plaques de laine de roche ont été appliquées contre les parois extérieures des anodes. Le pourtour des cuves a été rempli de bain broyé et de carbonate de sodium, et les capots prévus pour améliorer l'isolation thermique ainsi que la captation des gaz émis par la pâte de brasque ont été mis en place dans les heures qui ont suivi la mise en circuit. Onze thermocouples ont été insérés à la surface des blocs anodiques comme suit : trois ont été insérés dans le couloir central, deux dans chacun des deux couloirs latéraux, un à chacune des deux têtes, et deux dans des angles opposés.
Après 60 heures de préchauffage, la température relevée par chacun des thermocouples situés au niveau du couloir central était dans une fourchette de 850 et 1000 °C. Tous les autres thermocouples étaient au-dessus des minimum visés, à savoir, plus de 700°C dans les têtes, plus de 600°C dans les couloirs latéraux, et plus de 500°C dans les angles. De plus, aucun point chaud n'était apparent sur les cathodes. Enfin, à tout moment, la montée en température dans le couloir central a été effectuée à moins de 30°C par heure.
Il est à noter que la connexion des tiges d'anodes au cadre anodique peut être avantageusement réalisée en utilisant des souples de préchauffage. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
Références numériques
1 Cuve d'électrolyse
2 Caisson
3, 4 Matériau réfractaire
5 Cathode
6 Ensemble anodique
7 Cadre anodique
8 Capots
9 Moyen d'alimentation de la cuve
10 Anode 1 1 Tige
12 Multipode
13 Plot
14 Surface inférieure d'une anode
15 Gabarit
16 Plaque
17 Orifice
18 Couloir central
25 Matériau granulé conducteur
10

Claims

REVENDICATIONS
1 .- Procédé de préchauffage d'une cuve (1 ) pourvue d'anodes (10) et de cathodes (5) pour la production d'aluminium par électrolyse, ledit procédé comprenant une première étape, avant alimentation en courant de la cuve, durant laquelle une couche d'un matériau granulé conducteur (25) est déposée puis écrasée entre les anodes et les cathodes, caractérisé en ce que le matériau granulé conducteur est à base de graphite, et en ce que la couche du matériau granulé conducteur (25) ne s'étend, après écrasement, que sur une partie de la surface inférieure (14) de chaque anode (10) et prend la forme, de plots (13).
2.- Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche du matériau granulé conducteur (25) recouvre, après écrasement, entre 5 et 40 % de la surface inférieure (14) de chaque anode (10).
3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche du matériau granulé conducteur (25) recouvre, après écrasement, entre 5 et 20 % de la surface inférieure (14) de chaque anode (10).
4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre de plots (1 3) associés à chaque anode (10) est compris entre 3 et 20.
5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les plots (13) possèdent, en section, une forme générale circulaire ou ovale. 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque plot (13) possède une épaisseur initiale comprise entre 0,5 et 4 cm.
1.- Procédé selon Tune quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plots (13) sont réalisés à l'aide d'un gabarit (1 5) placé sur les cathodes (5) et comprenant une plaque (16) munie de plusieurs orifices (17) dans chacun desquels est introduit du matériau granulé conducteur (25).
8.- Procédé selon Tune quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que 90 à 95% des grains de graphite du matériau granulé conducteur (25) possèdent une taille comprise entre 1 et 8 mm.
9.- Procédé selon Tune quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le matériau granulé conducteur (25) comprend en outre au moins un autre matériau apte à faire varier sa résistivité.
10.- Procédé de préchauffage d'une cuve, selon Tune des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
- la formation d'une couche du matériau granulé conducteur sur une partie de la surface d'une cathode,
- la mise en appui de chaque anode sur la couche de matériau granulé,
- l'établissement d'une liaison électrique entre la tige de chaque anode et le cadre anodique,
- la mise en circuit de la cuve de manière à faire circuler un courant électrique entre les cathodes et les anodes. 1 1 . Procédé selon Tune quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que deux ou plusieurs plots (13) ont une section de taille différente.
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