EP0099840B1

EP0099840B1 - Cuve d'électrolyse, pour la production d'aluminium, comportant un écran conducteur flottant

Info

Publication number: EP0099840B1
Application number: EP83420109A
Authority: EP
Inventors: Michel Leroy; Maurice Keinborg
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1982-06-30
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1986-08-13
Also published as: SU1356967A3; NO832365L; JPS6141997B2; FR2529580A1; CA1190892A; BR8303459A; US4533452A; GR77515B; AU1646083A; OA07473A; YU140683A; JPS5920484A; IN159794B; ES8403984A1; AU562447B2; DE3365289D1; ES523678A0; KR840006510A; EP0099840A1; FR2529580B1

Description

La présente invention concerne une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue selon le procédé Hall-Héroult, comportant un écran conducteur flottant, entre l'anode et la cathode.
Dans les installations les plus performantes produisant de l'aluminium selon le procédé Hall-Héroult la consommation d'énergie électrique est au moims égale à 13 000. KWh par tonne de métal, et dépasse souvent 14 000. Dans une cuve moderne fonctionnant sous une différence de potentiel de 4 volts, la chute de tension dans l'électrolyte représente environ 1,5 volts, elle est donc responsable de plus du tiers de la consommation énergétique totale. Elle est dûe à l'obligation de maintenir une distance suffisante entre l'anode et la nappe d'alumnium liquide cathodique (au moins égale à 40 mm et, le plus souvent, de l'ordre de 50 à 60 mm) pour éviter la réoxydation de l'aluminium entraîné vers l'anode par les mouvements de la nappe de métal liquide dûs aux effets magnétiques et facilités par la non-mouillabilité du substrat cathodique en carbone par l'aluminium liquide.
Pour réduire la distance interpolaire, sans provoquer l'entraînement de l'aluminium cathodique vers l'anode, on a proposé d'utiliser des cathodes à base de réfractaires électro- conducteurs, tels que le diborure de titane TiB₂, qui est parfaitement mouillé par l'aluminium liquide et ne subit pratiquement pas d'attaque par ce métal à la température de l'électrolyse. De telles cathodes ont été décrites, en particulier, dans les brevets anglais 784 695, 784 696, 784 697 de BRITISH ALUMINIUM C°, et dans l'article de K.E. BILLEHAUG et H.A. OYE dans "ALUMINIUM", Oct. 1980, pages 642-648 et nov. 1980, pages 713 à 718.
Un des problèmes majeurs que posent ces cathodes en diborure de titane est leur mise en solution progressive dans l'aluminum liquide, phénomène lent mais non négligeable, qui nécessite le remplacement périodique des éléments usés et implique l'arrêt total et le démontage de la cuve.
La présente invention constitue une autre solution au problème de la réduction de la distance interpolaire sans risque d'entraînement de l'aluminium cathodique vers l'anode.
Elle se caractérise par la mise en place, entre l'anode et la cathode à l'interface de la nappe d'aluminium liquide et du bain de cryolithe d'un écran flottant au niveau de ladite interface, constitué par le juxtaposition d'une pluralité d'éléments, conducteurs du courant électrique, formant une couche sensiblement continue, ces éléments étant étanchéisés en surface par un dépôt de diborure de titane d'une épaisseur au moins égale à 20 micromètres.
Si l'on considère les densités respectives des éléments en présence à la température moyenne de l'électrolyse (≈960° C)

Graphite: 1,7 - 1,9
Electrolyte: 2,1 - 2,2
Aluminium: 2,3
TiB₂: 4,5 - 4,6

Les figures 1 et 2 représentent différents modes de mise en oeuvre de l'invention:
Sur la figure 1, l'écran conducteur flottant (1) est constitué par des billes (2) de TiB₂ poreuses, mais étanchéisées en surface, d'une densité moyenne de 2,25. Ces billes peuvent être fabriquées par exemple selon la technique décrite dans le brevent français 1 579 540 au nom d'ALUMINIUM PECHINEY, et qui consiste à fritter un mélange de TiB₂ et d'une substance éliminable à la température de frittage. Le diamètre de ces billes est compris entre 5 et 50 mm et, de préférence, entre 10 et 40 mm. La limite inférieure de diamètre est liée aux coûts de fabrication et la limite supérieure correspond à environ deux fois la distance interpolaire prévue.
De telles billes ayant une porosité d'environ 50 % peuvent être estimées trop fragiles. Dans ce cas, on fritte un mélange de TiB₂ et de nitrure de bore (d = 2,20 à 2,25 à 960°) ou de graphit (d = 1,7 à 1,9), avec la proportion voulue de substance éliminable à chaud pour obtenir une densité finale sensiblement égale à 2,25 à 960° C.
Il est indispensable d'étanchéiser les billes par un revêtement superficiel pour éviter leur imprégnation progressive par l'électrolyte et/ou le métal, qui détruirait leur flottabilité. Cette étanchéisation est effectuée par différents procédés connus permettant d'effectuer un dépôt comptact de TiB₂, par exemple la projection au plasma ou le dépôt chimique. L'épaisseur de cette couche étanche est suffisante pour que la dissolution par l'aluminium liquide permette une durée de vie d'au moins quelques années, c'est-à-dire au moins égale à 20 micromètres.
L'étanchésation peut être effectuée en deux étapes: dépôt d'une couche d'accrochage moyennement dense au plasma, puis d'une couche fine d'étanchéité par dépôt chimique ou encore par un dépôt chimique en phase vapeur effectué en deux étepes, la première s'effectuant à pression et température plus basses que la seconde.
Une autre solution, pour obtenir la densité moyenne de 2,25 consiste à fabriquer des billes composites avec un noyau en graphite et une écorce en TiB₂ compact, la proportion pondérale des deux constituants étant déterminée pour obtenir d = 2,25 (sensiblement 20 % de TiB₂ et 80 % de graphite), la qualité de graphite étant alors choisie pour que le coefficient de dilation du graphite soit sensiblement égal à celui de TiB₂ entre 0 et 1 000° C.
Les billes flottantes (2) en TiB₂ forment une couche sensiblement continue à l'interface (3) du métal (4) et de l'électrolyte (5). C'est cette couche qui forme l'écran (1) entre l'anode (6) et le métal (4) et, en même temps, agit comme cathode sur laquelle se forment les gouttelettes d'aluminium liquide produites par l'électrolyse. Ces gouttelettes mouillent les billes flottantes (2) et se rassemblent dans la couche déjà formée (4). Le risque d'entraînement des gouttelettes vers l'anode, où elles se réoxyderaient, est donc pratiquement supprimé, ce qui permet de réduire la distance interpolaire d à environ 20 millimètres et d'abaisser la chute de tension dans l'électrolyte à moins de 1 volt. Sur les figures 1 et 2, les billes flottantes (2) ont été dessinées au-dessus de l'interface (3), mais il est bien évident que leur position exacte dépend de leur rapport de densité avec le bain et le métal.
Bien que l'invention ait été décrite dans le cas particulier eù l'ecran flottant est formé de billes à base de TiB₂, cette forme n'est pas obligatoire et tout autre forme peut convenir, par exemple des éléments cylindriques qui, selon leur rapport longueur/diamètre, flotteront avec l'axe en position verticale ou horizontale. Des disques plats, par exemple, peuvent être utilisés. Dans un tel cas, (éléments non liés entre eux), il est souhaitable que la plus grande dimension des éléments utilisés ne dépasse par 50 mm et, de préférence, 40 mm c'est-à, dire deux fois la distance interpolaire visée.
La solution de la figure 1 présente l'inconvénient que tout l'interface du métal (4) et de l'électrolyte (5) est recouverte par l'écran de billes (2) alors que sa présence n'est nécessaire qu'à l'aplomb des anodes (6).
La figure 2 réprésente une solution dans laquelle l'écran conducteur flottant est confiné à l'aplomb des anodes (6) au moyen des barrières (7) en matériau réfractaire dense. Des ouvertures (8) doivent être, de préférence, ménagées dans ces barrières pour assurer la circulation de l'aluminium liquide (4).
La mise en oeuvre de l'invention, sous les différentes variantes, permet une réduction importante de la distance interpolaire, jusqu'aux environs de 20 mm, sans perte du rendement d'électlolyse. La différence de potentiel aux bornes des cellules d'électrolyse ainsi modifiées est réduite de 4 volts à environ 3,2 à 3,3 volts, avec diminution proportionnelle de la consommation énergétique par tonne d'aluminium produite.

Claims

1°) Cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un bain de cryolithe fondue, selon le procédé Hall-Héroult, entre au moins une anode carbonée et une nappe d'aluminium recouvrant un substrat cathodique carboné, caractérisée en ce qu'elle comporte à l'interface (3) de la nappe d'aluminium (4) et du bain (5) de cryolithe fondue un écran flottant (1) au niveau de ladite interface, constitué par la juxtaposition d'une pluralité d'éléménts, conducteurs du courant électrique, formant une couche sensiblement continue, ces éléments étant étanchéisés en surface par un dépôt de diborure de titane d'une épaisseur au moins égale à 20 micromètres.

2°) Cuve d'électrolyse, selon revendication 1, caractérisée en ce que les éléments juxtaposés formant l'écran flottant (1) sont constituées par du diborure de titane poreux ayant une densité moyenne comprise entre 2,15 et 2,30 à 960° C.

3°) Cuve d'électrolyse, selon revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments juxtaposés formant l'écran flottant (1) sont constitues par frittage d'un mélange de TiB₂, d'une seconde susbstance choisie parmi le nitrure de bore et le graphite, et d'une proportion convenable d'une substance éliminable à chaud de façon à obtenir une densité finale sensiblement égale à 2,25 à 960° C.

4°) Cuve d'électrolyse selon revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments juxtaposés formant l'écran (1) sont constitués par un noyau en graphite et une écorce en TiB₂ dans une proportion pondérale sensiblement égale à 80 % de graphite et 20 % de TiB₂ de façon à obtenir une densité finale sensiblement égale à 2,25 à 960° C.

5°) Cuve d'électrolyse, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que toute l'interface (3) entre le métal (4) et l'électrolyte (5), est recouverte par l'écran flottant (2).

6°) Cuve d'électrolyse, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'écran flottant (2) est confiné à l'aplomb des anodes (6) au moyen de barrières (7) en matériau réfractaire dense munies d'ouvertures latérales (8).

7°) Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la distance entre chaque anode et l'écran conducteur flottant est inférieure à 40 mm et, de préférence, égale à environ 20 mm.

8°) Cuve d'électrolyse, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'écran flottant est constitué par des billes (2) ayant un diamètre compris entre 5 et 50 mm, et, de préférence, entre 10 et 40 mm.