FR2789092A1 - GRAPHIC CATHODE FOR ALUMINUM ELECTROLYSIS - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet une cathode graphite pourThe subject of the present invention is a graphite cathode for
l'électrolyse de l'aluminium.aluminum electrolysis.
Dans le procédé électrolytique utilisé dans la plupart des usines de production d'aluminium, une cuve d'électrolyse comprend, dans un caisson métallique gainé de réfractaires, une sole cathodique composée de plusieurs blocs cathodiques juxtaposés. Cet ensemble constitue le creuset qui, rendu étanche par de la pâte de brasque, est le siège de la transformation, sous l'action du courant électrique, du bain électrolytique en aluminium. Cette réaction a lieu a une température supérieure en général à 950 C. Pour o10 résister aux conditions thermiques et chimiques prévalant lors du fonctionnement de la cuve et satisfaire à la nécessité de conduction du courant d'électrolyse, le bloc cathodique est fabriqué à partir de matériau carboné. Ces matériaux vont du semi-graphitique au graphite. Ils sont mis en forme par extrusion ou par vibrotassage après malaxage des matières premières: e soit un mélange de brai, d'anthracite calciné et/ou de graphite dans le cas des matériaux semi-graphitiques et graphitiques. Ces matériaux sont ensuite cuits à environ 1 200 C. La cathode graphitique ne contient pas d'anthracite, * soit un mélange de brai, de coke avec ou sans graphite dans le cas des graphites. Dans ce cas les matériaux sont cuits à environ 800 C, In the electrolytic process used in most aluminum production plants, an electrolytic cell comprises, in a metal box sheathed with refractories, a cathode sole composed of several juxtaposed cathode blocks. This assembly constitutes the crucible which, sealed by pot lining, is the seat of the transformation, under the action of the electric current, of the aluminum electrolytic bath. This reaction takes place at a temperature generally greater than 950 C. To resist thermal and chemical conditions prevailing during the operation of the cell and satisfy the need for conduction of the electrolysis current, the cathode block is manufactured from carbonaceous material. These materials range from semi-graphite to graphite. They are shaped by extrusion or by vibro-massage after mixing the raw materials: e either a mixture of pitch, calcined anthracite and / or graphite in the case of semi-graphitic and graphitic materials. These materials are then baked at around 1,200 C. The graphite cathode does not contain anthracite, * either a mixture of pitch, coke with or without graphite in the case of graphites. In this case the materials are cooked at around 800 C,
puis graphitisés à plus de 2 400 C. then graphitized at more than 2,400 C.
Il est connu d'utiliser des cathodes semi-graphitiques ou graphitiques, qui cependant ont des caractéristiques électriques et thermiques moyennes, ne convenant plus aux conditions de fonctionnement des cuves modernes, notamment de forte intensité de courant. La nécessité de réduire la consommation d'énergie, et la possibilité d'augmenter l'intensité du courant, notamment dans des installations existantes, a promu l'utilisation It is known to use semi-graphitic or graphitic cathodes, which however have average electrical and thermal characteristics, which are no longer suitable for the operating conditions of modern tanks, in particular of high current intensity. The need to reduce energy consumption, and the possibility of increasing the intensity of the current, especially in existing installations, has promoted the use
des cathodes graphite.graphite cathodes.
Le traitement de graphitisation de la cathode graphite, à plus de 2 400 C, permet l'augmentation des conductivités électrique et thermique, créant ainsi les conditions suffisantes à un fonctionnement optimisé d'une cuve d'électrolyse. La consommation d'énergie diminue en raison de la baisse de la résistance électrique de la cathode. Une autre façon de profiter de cette baisse de résistance électrique consiste à augmenter l'intensité du courant injecté dans la cuve, permettant ainsi une augmentation de la production d'aluminium. La valeur élevée de la conductibilité thermique de la cathode permet alors l'évacuation de l'excès de chaleur généré par l'augmentation d'intensité. De plus, les cuves à cathode graphite apparaissent moins instables électriquement, c'est-à-dire comportant moins de fluctuation des The graphitization treatment of the graphite cathode, at more than 2,400 C, allows the increase of the electrical and thermal conductivities, thus creating sufficient conditions for an optimized operation of an electrolysis tank. Energy consumption decreases due to the decrease in the electrical resistance of the cathode. Another way to take advantage of this drop in electrical resistance is to increase the intensity of the current injected into the tank, thereby allowing an increase in aluminum production. The high value of the thermal conductivity of the cathode then allows the evacuation of the excess heat generated by the increase in intensity. In addition, graphite cathode tanks appear less electrically unstable, that is to say with less fluctuation of the
potentiels électriques, que les cuves à cathodes graphitiques. electrical potentials, than graphitic cathode tanks.
Toutefois, il s'est révélé que les cuves équipées de cathodes lo graphite présentent une durée de vie plus faible que les cuves équipées de cathodes graphitiques. Les cuves à cathodes graphite deviennent inutilisables par un enrichissement trop élevé en fer de l'aluminium, qui résulte de l'attaque de la barre cathodique par l'aluminium. Le métal atteint la barre par suite de l'érosion du bloc graphite. Bien qu'une érosion des cathodes graphitiques soit également constatée, elle est beaucoup plus faible et n'altère pas la durée de vie des cuves qui deviennent inutilisables pour However, it has been found that the tanks fitted with graphite cathodes have a shorter lifespan than the tanks fitted with graphite cathodes. The graphite cathode tanks become unusable by an excessively high iron enrichment of the aluminum, which results from the attack of the cathode bar by the aluminum. The metal reaches the bar due to the erosion of the graphite block. Although erosion of the graphitic cathodes is also noted, it is much weaker and does not affect the life of the tanks which become unusable for
d'autres causes que l'érosion de la cathode. other causes than erosion of the cathode.
Au contraire, l'usure des cathodes graphite est suffisamment rapide pour devenir la première cause de mortalité des cuves d'électrolyse de I'aluminium à un âge que l'on peut qualifier de précoce par rapport aux On the contrary, the wear of graphite cathodes is fast enough to become the first cause of death of aluminum electrolysis cells at an age that can be described as early compared to
durées de vie enregistrées pour les cuves équipées de cathodes graphitiques. lifetimes recorded for tanks fitted with graphitic cathodes.
Ainsi on enregistre les vitesses d'usure suivantes pour les différents matériaux: bloc cathodique vitesse d'usure (mm/an) semi-graphitique 10-20 graphitique 20-40 graphite 40-80 La figure unique du dessin schématique annexé montre un bloc cathodique 3, avec les barres cathodiques d'amenée de courant 2, dont le profil initial est désigné par la référence 4. Le profil d'érosion 5, représenté en pointillés, montre que cette érosion est accentuée aux extrémités du bloc cathodique. La vitesse d'érosion d'un bloc cathodique graphite est, par conséquent, son point faible, et son attrait économique en terme de gain de The following wear speeds are therefore recorded for the different materials: cathode block wear speed (mm / year) semi-graphitic 10-20 graphitic 20-40 graphite 40-80 The single figure of the attached schematic drawing shows a cathode block 3, with the cathode bars for supplying current 2, the initial profile of which is designated by the reference 4. The erosion profile 5, shown in dotted lines, shows that this erosion is accentuated at the ends of the cathode block. The speed of erosion of a graphite cathode block is, therefore, its weak point, and its economic appeal in terms of gain in
production peut disparaître si la durée de vie ne peut pas être augmentée. production may disappear if the service life cannot be increased.
Le calcul des densités de courant dans la cathode montre que celles-ci sont plus élevées du côté de la sortie des barres cathodiques. Ces densités de courant sont d'autant plus élevées que la résistance électrique de la cathode est faible. Ainsi le profil d'érosion de chaque cathode, et notamment les fortes usures observées aux extrémités des cathodes The calculation of the current densities in the cathode shows that these are higher on the output side of the cathode bars. These current densities are higher the lower the electrical resistance of the cathode. Thus the erosion profile of each cathode, and in particular the heavy wear observed at the ends of the cathodes
correspondent aux zones de fortes densités de courant dans la cathode. correspond to areas of high current densities in the cathode.
Le but de l'invention est de fournir une cathode graphite dont la durée de vie soit augmentée en limitant l'érosion de celle-ci, notamment dans ses zones d'extrémité. Le but de l'invention est donc de fournir une cathode The object of the invention is to provide a graphite cathode whose lifetime is increased by limiting its erosion, in particular in its end zones. The object of the invention is therefore to provide a cathode
dans laquelle la densité de courant soit diminuée aux extrémités. in which the current density is decreased at the ends.
A cet effet, la cathode qu'elle concerne, possède une résistivité électrique verticale supérieure à la résistivité horizontale, la cathode étant To this end, the cathode to which it relates has a vertical electrical resistivity greater than the horizontal resistivity, the cathode being
considérée en position horizontale à l'intérieur de la cuve d'électrolyse. considered in a horizontal position inside the electrolysis tank.
En conservant une résistivité horizontale faible, la conductibilité thermique horizontale, qui est d'autant plus grande que la résistivité est By keeping a low horizontal resistivity, the horizontal thermal conductivity, which is all the greater as the resistivity is
faible, reste élevée et permet l'évacuation des calories générées dans la cuve. low, remains high and allows the evacuation of the calories generated in the tank.
La résistivité électrique verticale plus élevée permet une distribution plus homogène de la densité de courant. Le rapport entre les résistivités verticale et horizontale de la cathode n'est plus égal à 1, la cathode est alors anisotrope, (ou orthotrope, si la résistivité dans la troisième direction est The higher vertical electrical resistivity allows a more homogeneous distribution of the current density. The ratio between the vertical and horizontal resistivities of the cathode is no longer equal to 1, the cathode is then anisotropic, (or orthotropic, if the resistivity in the third direction is
égale à l'une des deux autres).equal to one of the other two).
La figure unique du dessin schématique annexé montre ce que The single figure of the attached schematic drawing shows what
sont les directions horizontale (H) et verticale (V) à l'intérieur de la cuve. are the horizontal (H) and vertical (V) directions inside the tank.
Suivant une caractéristique avantageuse de l'invention, le rapport entre la résistivité verticale et la résistivité horizontale est compris entre 1.2 According to an advantageous characteristic of the invention, the ratio between the vertical resistivity and the horizontal resistivity is between 1.2
et 1.8 environ.and 1.8 approximately.
Afin d'obtenir une différence entre la résistivité électrique verticale et la résistivité horizontale, la cathode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de matières premières, dont au moins certaines sont anisotropes, et en ce qu'elle est obtenue par un procédé de mise en forme favorisant l'alignement des particules. La cathode peut ainsi être obtenue soit par extrusion ou vibrotassage. L'orientation des particules permet de disposer de résistivités électriques différentes dans la direction In order to obtain a difference between the vertical electrical resistivity and the horizontal resistivity, the cathode according to the invention is characterized in that it is produced from raw materials, at least some of which are anisotropic, and in that it is obtained by a shaping process favoring the alignment of the particles. The cathode can thus be obtained either by extrusion or vibrotassage. The orientation of the particles makes it possible to have different electrical resistivities in the direction
horizontale et dans la direction verticale. horizontal and in the vertical direction.
Le choix du coke et/ou du grain graphite permet d'ajuster le degré d'anisotropie désiré pour les caractéristiques de résistivité. Le coke peut être choisi dans les familles de coke de brai ou de coke de pétrole. Plusieurs The choice of coke and / or graphite grain makes it possible to adjust the degree of anisotropy desired for the resistivity characteristics. Coke can be chosen from the pitch coke or petroleum coke families. Many
exemples de cathodes graphite selon l'invention sont définies ci-après. examples of graphite cathodes according to the invention are defined below.
Exemple 1 Une cathode graphite entière de dimensions 650*450*3300 est fabriquée à partir de coke A: caractéristique direction unité résistivité électrique H p'Q.m 10,7 résistivité électrique V 'UQ.m 13,2 rapport 1,23 H direction horizontale dans la cuve V: direction verticale dans la cuve Example 1 An entire graphite cathode of dimensions 650 * 450 * 3300 is manufactured from coke A: characteristic direction unit electrical resistivity H p'Qm 10.7 electrical resistivity V 'UQ.m 13.2 ratio 1.23 H horizontal direction in tank V: vertical direction in tank
Exemple 2Example 2
Une cathode graphite, de dimensions 450*500*3300mm, est fabriqué à partir de coke B: caractéristique direction unité résistivité électrique H pQ.m 11,3 résistivité électrique V DQ.m 15,6 rapport 1,38 H: direction horizontale dans la cuve V: direction verticale dans la cuve A graphite cathode, of dimensions 450 * 500 * 3300mm, is manufactured from coke B: characteristic direction unit electrical resistivity H pQ.m 11.3 electrical resistivity V DQ.m 15.6 ratio 1.38 H: horizontal direction in tank V: vertical direction in the tank
Exemple 3Example 3
Une cathode graphite, de dimensions 450*500*3300mm, est fabriqué à partir de coke C: caractéristique direction unité résistivité électrique H pQ.m 11,0 résistivité électrique V pQ.m 18,1 rapport 1,65 H direction horizontale dans la cuve V direction verticale dans la cuve Comme il ressort de ce qui précède, une telle cathode apporte une grande amélioration à la technique existante, car tout en conservant les avantages d'une cathode graphite traditionnelle en terme de conductivités électrique et thermique horizontales élevées, elle permet de réduire la densité de courant dans les zones d'extrémité de la cathode avec, pour conséquence, A graphite cathode, of dimensions 450 * 500 * 3300mm, is manufactured from coke C: characteristic direction unit electrical resistivity H pQ.m 11.0 electrical resistivity V pQ.m 18.1 ratio 1.65 H horizontal direction in the tank V vertical direction in the tank As appears from the above, such a cathode brings a great improvement to the existing technique, because while retaining the advantages of a traditional graphite cathode in terms of high horizontal electrical and thermal conductivities, it reduces the current density in the end areas of the cathode with, as a consequence,
une meilleure résistance à l'érosion et, par suite, une durée de vie accrue. better resistance to erosion and, consequently, a longer service life.
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