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WO2005033368A2 - Dispositif et procede de raccordement d'anodes inertes destinees a la production d'aluminium par electrolyse ignee - Google Patents

Dispositif et procede de raccordement d'anodes inertes destinees a la production d'aluminium par electrolyse ignee Download PDF

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WO2005033368A2
WO2005033368A2 PCT/FR2004/002451 FR2004002451W WO2005033368A2 WO 2005033368 A2 WO2005033368 A2 WO 2005033368A2 FR 2004002451 W FR2004002451 W FR 2004002451W WO 2005033368 A2 WO2005033368 A2 WO 2005033368A2
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anode
conductor
assembly
manufacturing
connection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2004/002451
Other languages
English (en)
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WO2005033368A3 (fr
Inventor
Airy-Pierre Lamaze
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to US10/569,546 priority Critical patent/US7544275B2/en
Priority to NZ545608A priority patent/NZ545608A/en
Priority to AU2004278527A priority patent/AU2004278527B2/en
Priority to ES04817090T priority patent/ES2399115T3/es
Priority to SI200431992T priority patent/SI1678349T1/sl
Priority to EP04817090A priority patent/EP1678349B1/fr
Priority to CA2539697A priority patent/CA2539697C/fr
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
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Publication of WO2005033368A3 publication Critical patent/WO2005033368A3/fr
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Priority to NO20061851A priority patent/NO340749B1/no
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    • Y10T29/53209—Terminal or connector

Definitions

  • the invention relates to the production of aluminum by igneous electrolysis. It relates more particularly to the anodes used for this production and the electrical connection of these anodes to current supply conductors.
  • Aluminum metal is produced industrially by igneous electrolysis, namely by electrolysis of alumina in solution in a bath based on molten cryolite, called electrolyte bath, in particular according to the well-known Hall-Héroult process.
  • the electrolysis is carried out in cells comprising a crucible made of refractory material capable of containing the electrolyte, at least one cathode and at least one anode.
  • the electrolysis current which circulates in the electrolyte via the anodes and cathodes, operates the aluminum reduction reactions and also makes it possible to maintain, by Joule effect, the electrolyte bath at the temperature of target operation, which is typically of the order of 950 ° C.
  • the electrolysis cell is regularly supplied with alumina so as to compensate for the consumption of alumina produced by the electrolysis reactions.
  • the anodes are made of carbon material and are consumed by the reduction reactions of aluminum. Consumption of carbonaceous material releases significant amounts of carbon dioxide.
  • inert anodes The environmental constraints and the costs associated with the manufacture and use of anodes in carbonaceous material have, for many decades, led aluminum producers to seek anodes in non-material consumables, called “inert anodes”.
  • ceramic materials such as SnO 2 and ferrites
  • metallic materials and composite materials such as materials - known under the name "cermet" - containing a ceramic phase and a metallic phase (especially nickel ferrites containing a metallic phase based on copper).
  • inert anodes for the production of aluminum by electrolysis reside not only in the choice and manufacture of the material constituting the anode, but also in the electrical connection between each anode and the conductor or conductors intended for the electrical supply to the electrolysis cell.
  • Several methods and connection devices have been proposed for inert anodes.
  • US Patent 4,500,406 proposes using an anode having an active part, a metal part, suitable for connection, and a composition gradient between the active part and the metal part.
  • US Patent 4,541,912 describes an assembly formed by hot isostatic compression of a cermet material on a metallic conductive substrate.
  • US Patents 4,468,298, US 4,468,299 and US 4,468,300 describe seals formed by diffusion, friction or other welding.
  • US Patent 4,457,811 describes a connection comprising one or more elastic strips welded to the interior or exterior surface of an anode. These solutions require a chemical reduction of the contact surface before the formation of the seals, which considerably complicates the manufacture of the anodes. These solutions also have the disadvantage of complicating the assembly of electrical connections.
  • US patents US 4,357,226 and US 4,840,718 describe mechanical connections applicable to sets of solid anodes. These connection methods are complex.
  • the subject of the invention is an anode assembly comprising at least one inert anode and at least one connection conductor intended for the electrical supply of the anode, characterized in that:
  • the anode is hollow and takes the form of a pocket
  • the contact surface between the conductor and the anode is located near (and typically on the periphery) of the anode opening
  • the electrical and mechanical connection between the conductor and the anode comprises a brazed metal seal or may be formed by brazing in whole or in part during use.
  • said brazed joint is capable of consolidating during the use of said assembly in an aluminum production cell by electrolysis.
  • it advantageously comprises at least one element chosen from aluminum, silver, copper, magnesium, manganese, titanium and zinc.
  • the anode typically takes the form of a cylindrical pocket, or "thimble", whose outer surface of the closed end is rounded, or rounded quadrangular whose angles of the outer surface of the closed end are rounded. These shapes make it possible to avoid disparities in local current density in use, when the closed end is immersed in an electrolyte bath based on molten salt.
  • connection methods which bring the electric current directly to the center or near the part immersed in the bath, result in poor distribution of the current lines, in particular in the anodes having the shape of a pocket.
  • this distribution of the current lines could lead to too low current densities in certain places (that is to say typically less than about 0.5 A / cm 2 ), which locally promotes corrosion. , and too strong in other places (that is to say typically greater than 1.5 A / cm 2 , or even greater than 2.5 A / cm 2 ), which locally accelerates the degradation by electrochemical dissolution.
  • the Applicant has had the idea of using a brazed joint which consolidates during a heat treatment, either (in whole or in part) before using the assembly in an electrolysis cell, or (in all or part) in situ when using the assembly in an electrolysis cell.
  • the brazed joint avoids putting under mechanical tension the part of the inert anode which is used for the mechanical connection.
  • the brazed joint provides a common and efficient mechanical and electrical connection, which considerably simplifies the manufacturing process.
  • This variant is also advantageous in that it allows the use of a mechanical assembly which is dimensioned so as to be sufficient to ensure satisfactory temporary mechanical maintenance of the anode until the consolidation of the brazed joint, but not necessarily sufficient to ensure all of the mechanical needs of the connection required during use, because the consolidation of the brazed joint provides the additional mechanical strength required in use.
  • the invention also relates to a method of manufacturing anode assemblies according to the invention.
  • the invention also relates to the use of at least one anodic assembly according to the invention, or obtained by the manufacturing process of the invention, for the production of aluminum by igneous electrolysis.
  • the subject of the invention is also a cell for the production of aluminum by igneous electrolysis comprising at least one anode assembly according to the invention or obtained by the manufacturing process of the invention.
  • Figures 1 to 7 relate to the invention.
  • Figures 1 and 3 to 6 illustrate anode assemblies according to the invention, seen in longitudinal section.
  • Figure 2 illustrates two elements of the anodic assembly of Figure 1.
  • Figure 7 illustrates the morphological evolution of the brazing material during brazing.
  • the anode assembly (1) comprises at least one hollow inert anode (2), at least one connection conductor (3, 4, 4 ', 5) and at least one metallic joint which is brazed, or capable of be formed by brazing, (31) capable of ensuring a mechanical and electrical connection (30) between the conductor and the anode.
  • the hollow shape of the anode makes it possible to limit the manufacturing cost and to free up a useful space (21) inside the latter.
  • This space or cavity (21) can be used, for example, to introduce therein one or more heating resistors (9) intended to heat the anode before its immersion in the liquid electrolyte bath.
  • the anode has an interior surface (210) and an exterior surface (230).
  • the thickness E of the wall (23) of the anode may be different at different places in the anode.
  • the thickness of the lateral part (23 ′) of the wall (23) of the anode may or may not be uniform.
  • the anodes and the connection conductors have an axial symmetry with respect to a central axis A.
  • the closed end (24) of the anode (2) has a surface (240), called “active”, intended to be immersed in an electrolyte bath based on molten salt.
  • the active surface (240) of the anode is preferably free of sharp angles in order to avoid peak effects in the distribution of the electric current in use; it can be hemispherical or include polygons with rounded angles.
  • the open end (22) of the anode (2) which is opposite the closed end (24), is used to make a mechanical and electrical connection to at least one connection conductor (3 , 4, 4 5).
  • the seal (31) is located at the connection area (25) of the anode.
  • the anode assembly (1) intended for an aluminum production cell by igneous electrolysis comprises: - at least one inert anode (2) in the form of a pocket, of length L, comprising a cavity ( 21), an open end (22) having an opening (200), a wall
  • connection conductor (3, 4, 4 ', 5) comprising a connection end (42), and at least one mechanical connection means (44, 45, 46) capable of cooperating with the means or means of mechanical connections (26, 27, 28, 29) anode (2) so as to establish a mechanical connection between the conductor and the anode;
  • the elements of the anode assembly according to the invention in particular said mechanical connection means (26, 27, 28, 29, 44, 45, 46), can be dimensioned so as to be sufficient to ensure only a satisfactory temporary mechanical maintenance of the anode until the brazed joint is consolidated, before use or during use in an electrolysis cell.
  • Said seal (31) is located between all or part of at least one surface (20, 20 ', 20 ") of the open end (22) of the anode (2) and all or part of at least one surface (40, 40 ', 40 ") of the connection end (42) of the conductor (3, 4, 4', 5).
  • connection conductor (3, 4, 4 ', 5) is intended for the electrical supply of the anode (2). It may include a central cavity (8).
  • the nickel-based alloy is advantageously a UNS N06625 alloy, called “alloy 625”, and more advantageously a UNS N06025 alloy, called “alloy 602", whose added aluminum content gives it better resistance to hot corrosion.
  • connection conductor (3, 4, 4 ', 5) may comprise an intermediate conductor (4), typically made of a nickel-based alloy, intended to establish the mechanical and electrical connection with the anode, and a conductor "exterior" (5) intended for the mechanical support of the anode assembly and for the electrical connection to the exterior of the electrolysis cell, generally by means of exterior connection (6).
  • the connection conductor (3, 4, 4 ', 5) can comprise two or more intermediate conductors (4, 4').
  • the parts (3, 4, 4 ', 5) are fixed to one another by one or more intermediate connections (7).
  • connection conductor typically has an elongated shape, possibly tubular.
  • the mechanical connection means (26, 27, 28, 29) of the anode (2) are located near the open end (22). They cover part of the open end (22) of the anode typically representing less than 10%, or even less than 5%, of the total length L of the anode.
  • the total area of the connection surface (s) (20, 20 ', 20 ") of the anode is such that, at the nominal current in use, the surface current density is preferably between 1 and 50 A / cm 2 , more preferably between 2 and 20 A / cm 2 , and more preferably between 5 and 15 A / cm 2. This represents surface values typically between 1 and 20 %, or even between 5% and 15%, of the total area of the external surface (230) of the anode.
  • the mechanical connection means (26, 27, 28, 29) of the anode (2) typically comprise at least one element chosen from the flanges (26), the annular cavities (27), the annular grooves (28) and the annular shoulders (29). These shapes are easy to obtain on inert anodes with axial symmetry.
  • the mechanical connection means (44, 45, 46) of the conductor (3, 4, 4 ', 5) are preferably located near the connection end (42).
  • the mechanical connection means (44, 45, 46) of the conductor (3, 4, 4 ', 5) typically comprise at least one element chosen from annular grooves (44), skirts (45) and annular shoulders (46). These shapes are easy to obtain - typically by turning - on metal parts with axial symmetry.
  • the means for connecting the anode (26, 27, 28, 29) and the conductor (44, 45, 46) advantageously cooperate by at least one of the means chosen from screwing, snapping, friction, insertion or the fitting. Insertion and fitting can be carried out after heating the anode and / or the connecting conductor.
  • the anode assembly (1) may include one or more complementary assembly means (34, 340, 36), such as one or more clamping rings (34, 340) and one or more open or closed rings (36) .
  • connection surfaces (20) located near the opening (200) of the anode (2) are advantageously inclined (typically with respect to the axis A of the assembly) so as to prevent the flow of material brazing (31 ') in the cavity (21) during brazing and / or using the anode assembly.
  • connection surface (s) (20, 20 ', 20 ") of the anode (2) typically comprise) at least one flat surface element (20) whose tangent forms an angle ⁇ of between 45 ° and 90 °, or even between 60 ° and 90 °, with the main axis A of the anode.
  • connection surfaces (20, 20 ′, 20 ") are typically at least partially on the external surface (230) of the anode (2) when the constituent material of the anode has a lower coefficient of expansion than that of the constituent material of the connection conductor; they are typically at least partially on the inner surface (210) of the anode otherwise.
  • the anode assembly (1) may also include at least one complementary seal (33) intended to confine the brazed seal (31), generally by a limitation of the flow of brazing material. This flow can occur during heat treatment or during use.
  • the complementary seal (33) is typically chosen from rings and open or closed rings.
  • the complementary seal (33) can be metallic or non-metallic.
  • the assembly of the conductor (3, 4, 4 ', 5) and the anode (2) does not involve any tightening or stress between the conductor and anode.
  • connection means (26, 27, 28, 29, 44, 45, 46) are located in a part of the cell at least partially isolated from corrosive gases and at a temperature significantly lower than that of the bath (and preferably less than 850 ° C), which is achieved by adapting the length L of the inert anode.
  • the periphery of the opening (200) of the anode (2) comprises a flange (26) turned towards the outside of the anode and an annular cavity ( 27), also facing the outside of the anode.
  • the connection conductor (3, 4, 5) has an inwardly threaded skirt (45).
  • the connection means further comprise a clamping ring (34) threaded towards the outside and capable of being screwed inside the skirt (45).
  • the metal seal (31) is formed from a brazing material in the form of a thin and flat ring, placed in the space (32) between the connection surfaces ( 20, 20 ") and (40, 40").
  • the connection means may comprise a ring (33) to limit the flow of the brazing material.
  • the threaded clamping ring (34) is screwed inside the skirt (45) so as to bring the connecting surfaces (20, 20 "closer to the soldering ring) ) and (40, 40 ").
  • the connection surfaces can optionally be brought into contact with, or supported on, the soldering ring.
  • the metal seal (31) can be formed from a brazing material wholly or partly from at least one reservoir (35).
  • the space (32, 32 ') is intended to accumulate the brazing material and to form a joint (31) during the brazing.
  • the surface (20) near the opening (200) is preferably inclined so as to prevent the flow of the brazing material into the cavity (21) of the anode.
  • the threaded clamping ring (34) is screwed inside the skirt (45) so as to bring the connecting surfaces (20, 20 ') and (40, 40') from each other while leaving a space (32, 32 ') intended to accumulate the brazing material and to form a joint (31) during brazing.
  • the periphery of the opening (200) of the anode (2) comprises an annular groove (28) turned towards the outside of the anode.
  • the connection conductor (3, 4, 5) comprises a skirt (45) provided with an annular groove (44) facing inwards.
  • the connection means further comprise a snap ring (36) capable of cooperating with the annular grooves (28) and (44) so as to establish a mechanical connection between the conductor (4) and the anode (2).
  • the anode (2) is inserted inside the skirt (45) until the grooves (28) and (44) click into place before the brazing operation.
  • the connection surfaces (20, 20 ') and (40, 40') form a space (32).
  • the periphery of the opening (200) of the anode (2) comprises a flange (26) turned towards the outside of the anode and an annular cavity (27), also facing the outside of the anode.
  • the connection conductor (3, 4, 4 ', 5) comprises a skirt (45) to which a clamping ring (340) can be fixed, typically by means of fixing means (37) such as bolts. Before the brazing operation, the clamping ring (340) is fixed to the skirt (45) so as to trap the collar (26) while leaving a space (32, 32 ') intended to accumulate the brazing material and forming a joint (31) during brazing.
  • the junction between the conductor (4) and the anode (2) remains loose until soldering.
  • the connection means may comprise a ring ( Figures 1 and 5) or a ring ( Figure 3) (33) to limit the flow of the brazing material.
  • the connecting conductor (4) has an annular shoulder (46) capable of cooperating with an annular shoulder (29) corresponding to the anode (2).
  • These shoulders have dimensions such that the assembly can be done by hot expansion of one of the two parts: (A) hot, the space G between the parts is sufficient to allow insertion of the anode in the conductor; (B) when cold, the shoulders are inserted into one another and allow temporary mechanical support until the brazed joint is consolidated (31).
  • the heating temperature, for assembly is preferably lower than the melting temperature of the brazing material in order to prevent it from flowing during assembly.
  • the space (32 ') between certain facing surfaces (20', 40 ') intended to be brazed can be substantially vertical or conical.
  • the brazing material can change position and shape during brazing.
  • the brazing material which initially has an initial shape and a determined initial position (31 ′) (FIG. 7 A)
  • the initial position may be in whole or in part in a reservoir (35).
  • the anode assembly may include a thermal insulator (10) in the central cavity (21) of the anode, in order to avoid, in particular, overheating the external connection conductor (5) by the internal radiation of the anode.
  • the anode (2) is typically chosen from anodes comprising a ceramic material, the anodes comprising a metallic material and the anodes comprising a cermet material.
  • the method of manufacturing an anode assembly (1) comprises: - the supply of at least one inert anode (2) in the form of a pocket, of length L, comprising a cavity (21), one open end (22) having an opening (200), a wall (23) surrounding the cavity (21), a closed end (24), and at least one mechanical connection means (26, 27, 28, 29); - the supply of at least one connection conductor (3, 4, 4 5) comprising a connection end (42), and at least one mechanical connection means (44, 45, 46) capable of cooperating with the one or more mechanical connection means (26, 27, 28, 29) of the anode (2) so as to establish a mechanical connection between the conductor and the anode; - the supply of at least one brazing material capable of forming a metal joint;
  • brazing material (s) at a determined location near at least one of the surfaces (20, 20 ', 20 ") of the open end (22) of the anode (2) or of the surfaces (40, 40 ', 40 ") of the connection end (42) of the conductor (3, 4, 4', 5) intended to be connected by soldering; - the assembly of the conductor (3, 4, 4 ', 5) and the anode (2) so as to bring said surfaces (20, 20', 20 ", 40, 40 ', 40") closer together;
  • a heat treatment capable of causing the formation of a brazed joint (31) between the conductor and the anode from the brazing material or materials.
  • the brazed joint (31) is formed between said surfaces (20, 20 ', 20 ", 40, 40', 40") and thus constitutes a mechanical and electrical connection between the conductor and the anode.
  • the assembly operation of the conductor (3, 4, 4 5) and the anode (2) preferably produces a loose assembly, which only stiffens during the heat treatment.
  • This variant avoids mechanical stresses.
  • the composition of the brazing material, or of one of the brazing materials is capable of being modified during the heat treatment so as to increase the melting temperature thereof up to a value greater than the maximum temperature undergone by said brazed joint (31) during use. This modification consolidates the joint. It can be obtained by at least one of the following mechanisms:
  • Said constituent element can be, for example, aluminum, zinc, magnesium or phosphorus;
  • said exchange can take place from the brazing material to the adjoining surface and / or from the adjoining surface to the brazing material. In the latter case, it is possible to coat all or part of said surfaces (20, 20 ', 20 ", 40, 40', 40") with a material comprising an element, such as nickel, capable of diffusing into the soldering material.
  • the exchange can possibly take place via redox reactions. More precisely, said composition can contain at least one element capable of being exchanged by at least one redox reaction with said inert anode (2), said element being typically chosen from magnesium, aluminum, phosphorus, titanium. , zirconium, hafi ium and zinc.
  • brazing materials chosen from alloys or mixtures comprising copper, silver, manganese and / or zinc.
  • Said surfaces (20, 20 ', 20 “, 40, 40', 40”) may be coated, in whole or in part, with a material wettable by the brazing material or materials.
  • the brazing material or materials are introduced, in whole or in part, into the space which separates the surfaces (20, 20 ', 20 ") and (40, 40', 40") intended to be brazed.
  • said positioning includes the introduction of at least part of the brazing material or materials between all or part of at least one surface (20, 20 ′, 20 ") of the open end (22) of the anode (2) and all or part of at least one surface (40, 40 ', 40 ") of the connection end (42) of the conductor (3, 4, 4', 5) .
  • the conductor (3, 4, 4 ′, 5) comprises at least one reservoir (35), said installation comprises the introduction of at least one brazing material into at least a tank (35) before the heat treatment, and the assembly of the conductor (3, 4, 4 ', 5) and the anode (2) is carried out so as to leave a free space (32, 32') between the conductor and the anode.
  • the brazing material or materials are introduced between all or part of at least one surface (20, 20 ', 20 ") of the open end (22) of the anode (2) and all or part of at least a surface (40, 40 ', 40 ") of the connection end (42) of the conductor (3, 4, 4', 5) by flow of said material during the heat treatment.
  • the heat treatment is advantageously carried out during the use of the anode assembly (1) in an electrolysis cell.
  • connection methods are at the temperature of the submerged part of the anode, and therefore close to the temperature of the electrolysis bath, while the connection according to the invention gives a very homogeneous temperature, while maintaining the temperature of connection at a value significantly lower than the electrolysis temperature, which reduces the electrical, mechanical and chemical stresses on the connection.
  • Trial 1 A connection test was carried out with a device similar to that of FIG. 5.
  • the anode was in cermet whose ceramic phase included a nickel ferrite and the metallic phase was based on copper.
  • the brazing material was a CuZn alloy, with 60% by weight of Cu and 40% by weight of Zn.
  • the melting range for this alloy was 870 to 900 ° C.
  • the connection was preheated to 900 ° C before using the anode in an electrolytic cell whose bath was based on molten cryolite.
  • the partial melting of the brazing material at the time of preheating was enough to give the connection a satisfactory electrical connection.
  • the zinc had partly evaporated and oxidized and that the use had caused an additional treatment which had led to the increase in the joint melting temperature well above 900 ° C.
  • a connection test was carried out with a device similar to that of FIG. 6.
  • the anode was in cermet having the same composition as test 1.
  • the brazing material was a CuZn alloy, with 30% by weight of Cu and 70% by weight of Zn.
  • the melting range of this alloy was 700 to 820 ° C.
  • the brazing heat treatment was carried out entirely in situ. It gave a brazed joint offering a stable electrical connection over time and low electrical resistivity.
  • the outside diameter Do of the anode was typically of the order of 70 to 75% of the length L of the anode.
  • the internal diameter D of the anode was about 60 to 65% of the outside diameter.
  • the thickness E of the side wall was uniform.

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Abstract

L'invention a pour objet un assemblage anodique (1) destiné à une cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée. Cet assemblage comprend une anode inerte (2) en forme de poche, un conducteur de raccordement (3, 4, 5), des moyens de raccordement mécanique aptes à coopérer de manière à établir une liaison mécanique" entre le conducteur et l'anode, et un joint métallique brasé, ou susceptible d'être formé par brasage, (31) situé entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20, 20') de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 5). L'invention permet de simplifier la fabrication des assemblages anodiques comportant une anode inerte.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE RACCORDEMENT D'ANODES INERTES DESTINEES A LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR ELECTROLYSE IGNEE
Domaine de l'invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée. Elle concerne plus particulièrement les anodes utilisées pour cette production et le raccordement électrique de ces anodes à des conducteurs d'amenée de courant.
Etat de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain à base de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. L'électrolyse est réalisée dans des cellules comportant un creuset en matériau réfractaire apte à contenir l'électrolyte, au moins une cathode et au moins une anode.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans l'électrolyte par l'intermédiaire des anodes et des cathodes, opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet également de maintenir, par effet Joule, le bain d'électrolyte à la température de fonctionnement visée, qui est typiquement de l'ordre de 950 °C. La cellule d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine produite par les réactions d'électrolyse.
Dans la technologie standard, les anodes sont en matériau carboné et sont consommées par les réactions de réduction de l'aluminium. La consommation du matériau carboné libère des quantités importantes de dioxyde de carbone.
Les contraintes environnementales et les coûts associés à la fabrication et à l'utilisation des anodes en matériau carboné ont, depuis de nombreuses décennies, conduit les producteurs d'aluminium à rechercher des anodes en matériaux non- consommables, dites « anodes inertes ». Plusieurs matériaux ont été proposés, notamment des matériaux céramiques (tels que SnO2 et des ferrites), des matériaux métalliques et des matériaux composites, tels que les matériaux - connus sous la dénomination « cermet » - contenant une phase céramique et une phase métallique (notamment des ferrites de nickel contenant une phase métallique à base de cuivre).
Les problèmes rencontrés dans le développement des anodes inertes pour la production d'aluminium par électrolyse résident non seulement dans le choix et la fabrication du matériau constitutif de l'anode, mais également dans le raccordement électrique entre chaque anode et le ou les conducteurs destinés à l'alimentation électrique de la cellule d'électrolyse. Plusieurs procédés et dispositifs de raccordement ont été proposés pour les anodes inertes.
Le brevet US 4 500 406 propose d'utiliser une anode possédant une partie active, une partie métallique, apte au raccordement, et un gradient de composition entre la partie active et la partie métallique. Le brevet US 4 541 912 décrit un assemblage formé par compression isostatique à chaud d'un matériau cermet sur un substrat conducteur métallique. Ces solutions rendent plus difficile l'élaboration de l'anode et imposent des contraintes sur les paramètres de cuisson de la partie active de l'anode.
Le brevet américain US 4 623 555 décrit la formation d'un raccordement à l'aide d'un gradient de composition formé par pulvérisation plasma. Cette solution nécessite une parfaite maîtrise du procédé de formation de la couche intermédiaire et impose une étape supplémentaire complexe.
Les brevets US 4468 298, US 4468 299 et US 4 468 300 décrivent des joints formés par soudure diffusion, friction ou autre. Le brevet US 4 457 811 décrit un raccordement comportant une ou plusieurs lames élastiques soudées sur la surface intérieure ou extérieure d'une anode. Ces solutions nécessitent une réduction chimique de la surface de contact avant la formation des joints, ce qui complique considérablement la fabrication des anodes. Ces solutions présentent également l'inconvénient de compliquer l'assemblage des raccordements électriques. Les brevets américains US 4 357 226 et US 4 840 718 décrivent des raccordements mécaniques applicables à des ensembles d'anodes pleines. Ces modes de raccordement sont complexes.
Les brevets américains US 4 456 517, US 4 450 061, US 4 609 249 et US 6 264 810 décrivent des raccordements mécaniques applicables à des anodes possédant une cavité centrale. Ces raccordements sont sensibles à l'évolution des propriétés mécaniques de ses éléments constitutifs lors de l'utilisation des anodes et introduisent des tensions mécaniques entre l'anode et les pièces métalliques. En outre, ces solutions sont sensibles à l'atmosphère ambiante corrosive des cellules d'électrolyse. Afin de pallier cette difficulté, certains de ces brevets proposent également d'ajouter des écrans et/ou des matériaux inertes de remplissage. Ces moyens de protection complémentaires compliquent la réalisation des raccordements et la rendent plus coûteuse. La solution proposée par le brevet US 6 264 810 présente l'inconvénient supplémentaire de nécessiter un grand nombre de pièces distinctes qui doivent maintenir leurs caractéristiques mécaniques sur une longue période de temps.
La demanderesse a donc recherché des solutions pour éviter les inconvénients de l'art antérieur.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un assemblage anodique comportant au moins une anode inerte et au moins un conducteur de raccordement destiné à l'alimentation électrique de l'anode, caractérisé en ce que :
- l'anode est creuse et prend la forme d'une poche,
- la surface de contact entre le conducteur et l'anode se situe à proximité (et typiquement en périphérie) de l'ouverture de l'anode, - la liaison électrique et mécanique entre le conducteur et l'anode comporte un joint métallique brasé ou susceptible d'être formé par brasage en tout ou partie en cours d'utilisation. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit joint brasé est susceptible de se consolider au cours de l'utilisation dudit ensemble dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse. A cette fin, il comporte avantageusement au moins un élément choisi parmi l'aluminium, l'argent, le cuivre, le magnésium, le manganèse, le titane et le zinc.
L'anode prend typiquement la forme d'une poche cylindrique, ou "doigt de gant", dont la surface extérieure de l'extrémité fermée est arrondie, ou quadrangulaire arrondie dont les angles de la surface extérieure de l'extrémité fermée sont arrondis. Ces formes permettent d'éviter les disparités de densité de courant locale en utilisation, lorsque l'extrémité fermée est immergée dans un bain d'électrolyte à base de sel fondu.
La demanderesse a noté que les modes de raccordement connus, qui amènent le courant électrique directement au centre ou à proximité de la partie immergée dans le bain, entraînent une mauvaise répartition des lignes de courant, notamment dans les anodes ayant la forme d'une poche. Elle a également noté que cette répartition des lignes de courant pouvait conduire à des densités de courant trop faibles à certains endroits (c'est-à-dire typiquement inférieures à environ 0,5 A/cm2), ce qui favorise localement la corrosion, et trop fortes à d'autres endroits (c'est-à-dire typiquement supérieures à 1,5 A/cm2, voire supérieures à 2,5 A/cm2), ce qui accélère localement la dégradation par dissolution électrochimique.
La demanderesse a eu l'idée d'utiliser un joint brasé qui se consolide lors d'un traitement thermique, soit (en tout ou partie) avant l'utilisation de l'assemblage dans une cellule d'électrolyse, soit (en tout ou partie) in situ lors de l'utilisation de l'assemblage dans une cellule d'électrolyse. Le joint brasé permet d'éviter de mettre sous tension mécanique la partie de l'anode inerte qui sert au raccordement mécanique. Le joint brasé permet d'obtenir une liaison mécanique et électrique commune et efficace, ce qui simplifie considérablement le procédé de fabrication. Cette variante est également avantageuse par le fait qu'elle autorise l'utilisation d'un assemblage mécanique qui est dimensionné de manière à être suffisant pour assurer un maintien mécanique temporaire satisfaisant de l'anode jusqu'à la consolidation du joint brasé, mais pas nécessairement suffisant pour assurer la totalité des besoins mécaniques du raccordement requis en cours d'utilisation, car la consolidation du joint brasé apporte le complément de tenue mécanique requis en utilisation.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication des assemblages anodiques selon l'invention.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'au moins un assemblage anodique selon l'invention, ou obtenu par le procédé de fabrication de l'invention, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée.
L'invention a encore pour objet une cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée comportant au moins un assemblage anodique selon l'invention ou obtenu par le procédé de fabrication de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de modes de réalisation particuliers et des figures annexées.
Les figures 1 à 7 sont relatives à l'invention. Les figures 1 et 3 à 6 illustrent des assemblages anodiques selon l'invention, vus en section longitudinale. La figure 2 illustre deux éléments de l'assemblage anodique de la figure 1. La figure 7 illustre l'évolution morphologique du matériau de brasage en cours de brasage.
L'assemblage anodique (1) selon l'invention comporte au moins une anode inerte creuse (2), au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) et au moins un joint métallique brasé, ou susceptible d'être formé par brasage, (31) apte à assurer un raccordement mécanique et électrique (30) entre le conducteur et l'anode.
La forme creuse de l'anode permet de limiter le coût de fabrication et de libérer un espace (21) utile à l'intérieur de celle-ci. Cet espace ou cavité (21) peut être utilisé, par exemple, pour y introduire une ou plusieurs résistances chauffantes (9) destinées à chauffer l'anode avant son immersion dans le bain d'électrolyte liquide.
L'anode possède une surface intérieure (210) et une surface extérieure (230). L'épaisseur E de la paroi (23) de l'anode peut être différente à différents endroits de l'anode. L'épaisseur de la partie latérale (23') de la paroi (23) de l'anode peut être uniforme ou non.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les anodes et les conducteurs de raccordement ont une symétrie axiale par rapport à un axe central A.
L'extrémité fermée (24) de l'anode (2) possède une surface (240), dite "active", destinée à être immergée dans un bain d'électrolyte à base de sel fondu. La surface active (240) de l'anode est de préférence exempte d'angles vifs afin d'éviter les effets de pointe dans la distribution du courant électrique en utilisation ; elle peut être de forme hémisphérique ou comporter des polygones à angles arrondis.
Selon l'invention, l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2), qui est opposée à l'extrémité fermée (24), est utilisée pour effectuer un raccordement mécanique et électrique à au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4 5). Le joint (31) est situé au niveau de la zone de raccordement (25) de l'anode.
Plus précisément, l'assemblage anodique (1) destiné à une cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée selon l'invention comprend : - au moins une anode inerte (2) en forme de poche, de longueur L, comportant une cavité (21), une extrémité ouverte (22) comportant une ouverture (200), une paroi
(23) entourant la cavité (21), une extrémité fermée (24), et au moins un moyen de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) ;
- au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) comportant une extrémité de raccordement (42), et au moins un moyen de raccordement mécanique (44, 45, 46) apte à coopérer avec le ou les moyens de raccordement mécaniques (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur et l'anode ;
- au moins un joint métallique brasé (31) ou au moins un matériau de brasage susceptible de former un joint métallique brasé (31) par brasage en tout ou partie en cours d'utilisation, ledit joint (31) étant situé entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
De manière avantageuse, les éléments de l'assemblage anodique selon l'invention, notamment lesdits moyens de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29, 44, 45, 46), peuvent être dimensionnés de manière à être suffisants pour assurer uniquement un maintien mécanique temporaire satisfaisant de l'anode jusqu'à la consolidation du joint brasé, avant utilisation ou en cours d'utilisation dans une cellule d'électrolyse.
Ledit joint (31) est situé entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
Le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) est destiné à l'alimentation électrique de l'anode (2). Il peut comporter une cavité centrale (8). Le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5), qui peut être formé de plusieurs pièces, comporte avantageusement au moins un élément (4) en alliage à base nickel (c'est-à-dire contenant plus de 50 % pds. de nickel) et l'extrémité de raccordement (42) se situe avantageusement sur cet élément (4). L'alliage à base nickel est avantageusement un alliage UNS N06625, dit "alliage 625", et plus avantageusement un alliage UNS N06025, dit "alliage 602", dont la teneur en aluminium ajouté lui confère une meilleure résistance à la corrosion à chaud.
Tel qu'illustré aux figures 1, 3 et 4, le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) peut comporter un conducteur intermédiaire (4), typiquement en alliage à base nickel, destiné à établir la liaison mécanique et électrique avec l'anode, et un conducteur "extérieur" (5) destiné au support mécanique de l'ensemble anodique et au raccordement électrique à l'extérieur de la cellule d'électrolyse, généralement par un moyen raccordement extérieur (6). Tel qu'illustré à la figure 5, le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) peut comporter deux ou plusieurs conducteurs intermédiaires (4, 4'). Les pièces (3, 4, 4', 5) sont fixées entre elles par un ou plusieurs raccordements intermédiaires (7).
Le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) a typiquement une forme allongée, éventuellement tubulaire.
Le ou les moyens de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) sont situés à proximité de l'extrémité ouverte (22). Ils couvrent une partie de l'extrémité ouverte (22) de l'anode représentant typiquement moins de 10 %, voire moins de 5 %, de la longueur L totale de l'anode.
Afin d'assurer un contact électrique suffisant, l'aire totale de la ou des surfaces de raccordement (20, 20', 20") de l'anode est telle que, à l'intensité nominale en utilisation, la densité surfacique de courant est comprise de préférence entre 1 et 50 A/cm2, de préférence encore entre 2 et 20 A/cm2, et de préférence encore entre 5 et 15 A/cm2. Ceci représente des valeurs de surface typiquement comprise entre 1 et 20 %, voire encore entre 5 % et 15 %, de l'aire totale de la surface extérieure (230) de l'anode.
Le ou les moyens de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) comprennent typiquement au moins un élément choisi parmi les collerettes (26), les cavités annulaires (27), les rainures annulaires (28) et les épaulements annulaires (29). Ces formes sont faciles à obtenir sur des anodes inertes à symétrie axiale.
Le ou les moyens de raccordement mécanique (44, 45, 46) du conducteur (3, 4, 4', 5) sont de préférence situés à proximité de l'extrémité de raccordement (42). Le ou les moyens de raccordement mécanique (44, 45, 46) du conducteur (3, 4, 4', 5) comprennent typiquement au moins un élément choisi parmi les rainures annulaires (44), les jupes (45) et les épaulements annulaires (46). Ces formes sont faciles à obtenir - typiquement par décolletage - sur des pièces métalliques à symétrie axiale.
Les moyens de raccordement de l'anode (26, 27, 28, 29) et du conducteur (44, 45, 46) coopèrent avantageusement par au moins un des moyens choisis parmi le vissage, l'encliquetage, la friction, l'insertion ou l'emmanchement. L'insertion et l'emmanchement peuvent être effectués après avoir chauffé l'anode et/ou le conducteur de raccordement.
L'assemblage anodique (1) peut comporter un ou plusieurs moyens d'assemblage complémentaires (34, 340, 36), tels qu'un ou des anneaux de serrage (34, 340) et une ou des bagues (36) ouvertes ou fermées.
Les surfaces de raccordement (20) situées à proximité de l'ouverture (200) de l'anode (2) sont avantageusement inclinées (typiquement par rapport à l'axe A de l'assemblage) de manière à éviter l'écoulement du matériau de brasage (31') dans la cavité (21) lors du brasage et/ou de l'utilisation de l'assemblage anodique. A cette fin, la ou les surfaces de raccordement (20, 20', 20") de l'anode (2) comportent) typiquement au moins un élément de surface (20) plat dont la tangente forme un angle α compris entre 45° et 90°, voire entre 60° et 90°, avec l'axe principal A de l'anode.
Les surfaces de raccordement (20, 20', 20") sont typiquement au moins en partie sur la surface extérieure (230) de l'anode (2) lorsque le matériau constitutif de l'anode possède un coefficient de dilation inférieur à celui du matériau constitutif du conducteur de raccordement ; elles sont typiquement au moins en partie sur la surface intérieure (210) de l'anode dans le cas contraire.
L'assemblage anodique (1) peut également comporter au moins un joint complémentaire (33) destiné à confiner le joint brasé (31), généralement par une limitation de l'écoulement du matériau de brasage. Cet écoulement peut se produire lors du traitement thermique ou lors de l'utilisation. Le joint complémentaire (33) est typiquement choisi parmi les anneaux et les bagues ouvertes ou fermées. Le joint complémentaire (33) peut être métallique ou non métallique.
De préférence, afin de limiter le développement de tensions mécaniques avant et/ou durant le brasage, l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) ne comporte ni serrage ni contrainte entre le conducteur et l'anode.
De préférence, en utilisation, les moyens de raccordement (26, 27, 28, 29, 44, 45, 46) se situent dans une partie de la cellule au moins partiellement isolée des gaz corrosifs et à une température notablement plus basse que celle du bain (et de préférence inférieure à 850 °C), ce qui est réalisé par adaptation de la longueur L de l'anode inerte.
Dans les modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3 et 5, la périphérie de l'ouverture (200) de l'anode (2) comprend une collerette (26) tournée vers l'extérieur de l'anode et une cavité annulaire (27), également tournée vers l'extérieur de l'anode. Le conducteur de raccordement (3, 4, 5) comporte une jupe (45) filetée vers l'intérieur. Les moyens de raccordements comprennent en outre un anneau de serrage (34) fileté vers l'extérieur et apte à se visser à l'intérieur de la jupe (45).
Dans le mode de réalisation de la figure 1, le joint métallique (31) est formé à partir d'un matériau de brasage sous forme d'un anneau mince et plat, placé dans l'espace (32) entre les surfaces de raccordement (20, 20") et (40, 40"). Les moyens de raccordement peuvent comprendre un anneau (33) pour limiter l'écoulement du matériau de brasage. Avant l'opération de brasage, l'anneau de serrage (34) fileté est vissé à l'intérieur de la jupe (45) de manière à rapprocher de l'anneau de brasage (31) les surfaces de raccordement (20, 20") et (40, 40"). Les surfaces de raccordement peuvent éventuellement être mises en contact avec, ou en appui sur, l'anneau de brasage. Tel qu'illustré aux figures 3 à 5, le joint métallique (31) peut être formé à partir d'un matériau de brasage provenant en tout ou partie d'au moins un réservoir (35). L'espace (32, 32') est destiné à accumuler le matériau de brasage et à former un joint (31) lors du brasage. La surface (20) à proximité l'ouverture (200) est de préférence inclinée de manière à empêcher l'écoulement du matériau de brasage dans la cavité (21) de l'anode.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, avant l'opération de brasage, l'anneau de serrage (34) fileté est vissé à l'intérieur de la jupe (45) de manière à rapprocher les surfaces de raccordement (20, 20') et (40, 40') l'une de l'autre tout en laissant un espace (32, 32') destiné à accumuler le matériau de brasage et à former un joint (31) lors du brasage.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, la périphérie de l'ouverture (200) de l'anode (2) comprend une rainure annulaire (28) tournée vers l'extérieur de l'anode. Le conducteur de raccordement (3, 4, 5) comporte une jupe (45) munie d'une rainure annulaire (44) tournée vers l'intérieur. Les moyens de raccordements comprennent en outre une bague d'encliquetage (36) apte à coopérer avec les rainures annulaires (28) et (44) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur (4) et l'anode (2). Dans ces modes de réalisation, l'anode (2) est insérée à l'intérieur de la jupe (45) jusqu'à l'encliquetage des rainures (28) et (44) avant l'opération de brasage. Les surfaces de raccordement (20, 20') et (40, 40') forment un espace (32).
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, la périphérie de l'ouverture (200) de l'anode (2) comprend une collerette (26) tournée vers l'extérieur de l'anode et une cavité annulaire (27), également tournée vers l'extérieur de l'anode. Le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) comporte une jupe (45) sur laquelle peut être fixé un anneau de serrage (340), typiquement à l'aide de moyens de fixations (37) tels que des boulons. Avant l'opération de brasage, l'anneau de serrage (340) est fixé à la jupe (45) de manière à emprisonner la collerette (26) tout en laissant un espace (32, 32') destiné à accumuler le matériau de brasage et à former un joint (31) lors du brasage. La jonction entre le conducteur (4) et l'anode (2) reste lâche jusqu'au brasage. Dans les modes de réalisation des figures 1, 3 et 5, les moyens de raccordement peuvent comprendre un anneau (figures 1 et 5) ou une bague (figure 3) (33) pour limiter l'écoulement du matériau de brasage.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, le conducteur de raccordement (4) possède un épaulement annulaire (46) apte à coopérer avec un épaulement annulaire (29) correspondant sur l'anode (2). Ces épaulements ont des dimensions telles que l'assemblage peut être fait par une dilatation à chaud de l'une des deux pièces : (A) à chaud, l'espace G entre les pièces est suffisant pour permettre l'insertion de l'anode dans le conducteur ; (B) à froid, les épaulements s'insèrent l'un dans l'autre et permettent un maintien mécanique temporaire jusqu'à la consolidation du joint brasé (31). La température de chauffage, en vue de l'assemblage, est de préférence plus faible que la température de fusion du matériau de brasage afin d'éviter son écoulement pendant l'assemblage.
Comme dans le cas de la configuration de la figure 6, l'espace (32') entre certaines surfaces en regard (20', 40') destinées à être brasées peut être sensiblement vertical ou conique.
Le matériau de brasage peut changer de position et de forme en cours de brasage. Ainsi, tel qu'illustré à la figure 7, le matériau de brasage, qui a initialement une forme et une position déterminée initiales (31') (figure 7 A), peut se déformer lors du traitement thermique, typiquement par écoulement, pour occuper un volume final (31) en contact intime avec les surfaces de raccordement (20, 20', 20", 40, 40', 40") (figure 7B). La position initiale peut être en tout ou partie dans un réservoir (35).
L'assemblage anodique peut comporter un isolant thermique (10) dans la cavité centrale (21) de l'anode, afin d'éviter, notamment, le surchauffer le conducteur de raccordement extérieur (5) par le rayonnement intérieur de l'anode. L'anode (2) est typiquement choisie parmi les anodes comportant un matériau céramique, les anodes comportant un matériau métallique et les anodes comportant un matériau cermet. Le procédé de fabrication d'un assemblage anodique (1) selon l'invention comprend : - la fourniture d'au moins une anode inerte (2) en forme de poche, de longueur L, comportant une cavité (21), une extrémité ouverte (22) comportant une ouverture (200), une paroi (23) entourant la cavité (21), une extrémité fermée (24), et au moins un moyen de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) ; - la fourniture d'au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4 5) comportant une extrémité de raccordement (42), et au moins un moyen de raccordement mécanique (44, 45, 46) apte à coopérer avec le ou les moyens de raccordement mécaniques (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur et l'anode ; - la fourniture d'au moins un matériau de brasage apte à former un joint métallique ;
- la mise en place du ou des matériaux de brasage à un endroit déterminé à proximité d'au moins une des surfaces (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) ou des surfaces (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5) destinées à être raccordées par brasage ; - l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) de manière à rapprocher lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") ;
- un traitement thermique apte à entraîner la formation d'un joint brasé (31) entre le conducteur et l'anode à partir du ou des matériaux de brasage.
Le joint brasé (31) se forme entre lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") et constitue ainsi un raccordement mécanique et électrique entre le conducteur et l'anode.
L'opération d'assemblage du conducteur (3, 4, 4 5) et de l'anode (2) produit de préférence un assemblage lâche, qui ne se rigidifie que lors du traitement thermique. Cette variante permet d'éviter les contraintes mécaniques. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la composition du matériau de brasage, ou de l'un des matériaux de brasage, est susceptible d'être modifiée lors du traitement thermique de manière à en augmenter la température de fusion jusqu'à une valeur supérieure à la température maximale subie par ledit joint brasé (31) en cours d'utilisation. Cette modification consolide le joint. Elle peut être obtenue par l'un au moins des mécanismes suivants :
- par évaporation d'au moins une partie de l'un de ses éléments constitutifs, ledit élément étant par exemple du zinc ou du magnésium ;
- par réaction chimique d'au moins une partie de l'un de ses éléments constitutifs avec un des constituants de l'atmosphère ambiante, notamment l'oxygène. Ledit élément constitutif peut être, par exemple, de l'aluminium, du zinc, du magnésium ou du phosphore ;
- par échange par diffusion, avec ou sans réaction d'oxydoréduction, d'au moins un élément avec l'une desdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40"). L'échange peut avoir lieu du matériau de brasage vers la surface attenante et/ou de la surface attenante vers le matériau de brasage. Dans le dernier cas, il est possible de revêtir tout ou partie desdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") d'un matériau comprenant un élément, tel que du nickel, susceptible de diffuser dans le matériau de brasage. L'échange peut éventuellement avoir lieu par l'intermédiaire de réactions d'oxydoréduction. Plus précisément, ladite composition peut contenir au moins un élément susceptible de s'échanger par au moins une réaction d'oxydoréduction avec ladite anode inerte (2), ledit élément étant typiquement choisi parmi le magnésium, l'aluminium, le phosphore, le titane, le zirconium, l'hafi ium et le zinc.
Ces mécanismes peuvent être obtenus avec des matériaux de brasage choisis parmi les alliages ou mélanges comprenant du cuivre, de l'argent, du manganèse et/ou du zinc.
Lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") peuvent être revêtues, en tout ou partie, d'un matériau mouillable par le ou les matériaux de brasage. Selon une variante avantageuse de l'invention, le ou les matériaux de brasage sont introduits, en tout ou partie, dans l'espace qui sépare les surfaces (20, 20', 20") et (40, 40', 40") destinées à être brasées. En d'autres termes, ladite mise en place comporte l'introduction d'au moins une partie du ou des matériaux de brasage entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
Selon une autre variante avantageuse de l'invention, le conducteur (3, 4, 4', 5) comporte au moins un réservoir (35), ladite mise en place comporte l'introduction d'au moins un matériau de brasage dans au moins un réservoir (35) avant le traitement thermique, et l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) est effectué de manière à laisser un espace libre (32, 32') entre le conducteur et l'anode. Le ou les matériaux de brasage sont introduits entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5) par écoulement dudit matériau lors du traitement thermique.
Le traitement thermique est avantageusement effectué lors de l'utilisation de l'assemblage anodique (1) dans une cellule d'électrolyse.
Les modes de raccordement connus sont à la température de la partie immergée de l'anode, et donc proche de la température du bain d'électrolyse, alors que le raccordement selon l'invention donne une température très homogène, tout en maintenant la température de connexion à une valeur nettement inférieure à la température d'électrolyse, ce qui diminue les contraintes électriques, mécaniques et chimiques sur le raccordement.
Essais
Essai 1 Un essai de raccordement a été effectué avec un dispositif similaire à celui de la figure 5.
Dans cet essai, l'anode était en cermet dont la phase céramique comportait un ferrite de nickel et la phase métallique était à base de cuivre.
Le matériau de brasage était un alliage CuZn, avec 60 % en poids de Cu et 40 % en poids de Zn. L'intervalle de fusion de cet alliage était de 870 à 900 °C. Le raccordement a été préchauffé à 900°C avant l'utilisation de l'anode dans une cellule électrolytique dont le bain était à base de cryolithe fondue. La fusion partielle du matériau de brasage au moment du préchauffage a suffi à conférer au raccordement une connexion électrique satisfaisante. Au démontage, il a été observé que le zinc s'était en partie évaporé et oxydé et que l'utilisation avait provoqué un traitement complémentaire qui avait entraîné l'augmentation de la température de fusion du joint bien au-dessus de 900°C.
Essai 2
Un essai de raccordement a été effectué avec un dispositif similaire à celui de la figure 6.
Dans cet essai, l'anode était en cermet ayant la même composition que l'essai 1.
Le matériau de brasage était un alliage CuZn, avec 30 % en poids de Cu et 70 % en poids de Zn. L'intervalle de fusion de cet alliage était de 700 à 820 °C. Le traitement thermique de brasage a été réalisé entièrement in situ. Il a donné un joint brasé offrant une connexion électrique stable dans le temps et de faible résistivité électrique.
Dans les essais 1 et 2, le diamètre extérieur Do de l'anode était typiquement de l'ordre de 70 à 75 % de la longueur L de l'anode. Le diamètre intérieur D de l'anode était égal à environ 60 à 65 % du diamètre extérieur. L'épaisseur E de la paroi latérale était uniforme.
Listes des repères numériques
1 Assemblage anodique
2 Anode
3 Conducteur de raccordement
4 Conducteur de raccordement intermédiaire 4' Conducteur de raccordement intermédiaire (rallonge)
5 Conducteur de raccordement extérieur
6 Moyen de raccordement extérieur
7 Raccordement intermédiaire
8 Cavité centrale du conducteur de raccordement 9 Résistance chauffante
10 Isolant thermique 0, 20', 20" Surface de raccordement de l'anode 1 Cavité de l'anode 2 Extrémité ouverte 3 Paroi de l'anode 3' Partie latérale de la paroi de l'anode 4 Extrémité fermée de l'anode 5 Zone de raccordement de l'anode 6 Collerette 7 Cavité annulaire 8 Rainure annulaire 9 Epaulement annulaire 0 Raccordement conducteur/anode 1 Joint métallique brasé 1' Matériau de brasage 2, 32' Espace entre les surfaces de raccordement de l'anode et du conducteur 3 Joint complémentaire Anneau de serrage fileté Réservoir Bague Moyen de fixation0" Surface de raccordement du conducteur de raccordement Cavité centrale du conducteur de raccordement intermédiaire Extrémité de raccordement Paroi du conducteur de raccordement intermédiaire Rainure annulaire Jupe Epaulement annulaire Ouverture Surface intérieure de l'anode Surface extérieure de l'anode Surface active de l'anode Anneau de serrage

Claims

REVENDICATIONS
1. Assemblage anodique (1) destiné à une cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée et comprenant : - au moins une anode inerte (2) en forme de poche, de longueur L, comportant une cavité (21), une extrémité ouverte (22) comportant une ouverture (200), une paroi (23) entourant la cavité (21), une extrémité fermée (24), et au moins un moyen de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) ; - au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) comportant une extrémité de raccordement (42), et au moins un moyen de raccordement mécanique (44, 45, 46) apte à coopérer avec le ou les moyens de raccordement mécaniques (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur et l'anode ; - au moins un joint métallique brasé (31) ou au moins un matériau de brasage susceptible de former un joint métallique brasé (31) par brasage en tout ou partie en cours d'utilisation, ledit joint (31) étant situé entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
2. Assemblage anodique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les moyens de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) couvrent une partie de ladite extrémité ouverte (22) représentant moins de 10 % de la longueur L totale de l'anode.
3. Assemblage anodique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'aire totale de la ou des surfaces de raccordement (20, 20', 20") est telle que, à l'intensité nominale en utilisation, la densité surfacique de courant est comprise entre 1 et 50 A/cm2.
4. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le ou les moyens de raccordement mécanique (44, 45, 46) du conducteur (3, 4, 4', 5) sont situés à proximité de l'extrémité de raccordement (42).
5. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou les moyens de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) comprennent au moins un élément choisi parmi les collerettes (26), les cavités annulaires (27), les rainures annulaires (28) et les épaulements annulaires (29).
6. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ou les moyens de raccordement mécanique (44, 45, 46) du conducteur (3, 4, 4', 5) comprennent au moins un élément choisi parmi les rainures annulaires (44), les jupes (45) et les épaulements annulaires (46).
7. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de raccordement mécanique du conducteur et de l'anode (26, 27, 28, 29, 44, 45, 46) coopèrent par au moins un des moyens choisis parmi le vissage, l'encliquetage, la friction, l'insertion ou l'emmanchement.
8. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moyen d'assemblage complémentaire (34, 340, 36).
9. Assemblage anodique (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen d'assemblage complémentaire est choisi parmi les anneaux de serrage (34, 340) et les bagues (36) ouvertes ou fermées.
10. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un joint complémentaire (33) destiné à confiner ledit joint brasé (31).
11. Assemblage anodique (1) selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit joint complémentaire (33) est choisi parmi les anneaux ou les bagues ouvertes ou fermées.
12. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit joint brasé (31) est susceptible de se consolider au cours de l'utilisation dudit ensemble dans une cellule de production d'aluminium par électrolyse.
13. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit joint brasé (31) comporte au moins un élément choisi parmi l'aluminium, l'argent, le cuivre, le magnésium, le manganèse, le titane et le zinc.
14. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) comporte au moins un élément (4) en alliage à base nickel et en ce que l'extrémité de raccordement (42) se situe sur cet élément (4).
15. Assemblage anodique (1) selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'alliage à base nickel est un alliage UNS N06625 ou un alliage UNS N06025.
16. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ladite anode (2) est choisie parmi les anodes comportant un matériau céramique, les anodes comportant un matériau métallique et les anodes comportant un matériau cermet.
17. Assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une résistance chauffante (9) dans la cavité (21) de l'anode (2).
18. Procédé de fabrication d'un assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend : - la fourniture d'au moins une anode inerte (2) en forme de poche, de longueur L, comportant une cavité (21), une extrémité ouverte (22) comportant une ouverture (200), une paroi (23) entourant la cavité (21), une extrémité fermée (24), et au moins un moyen de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) ; - la fourniture d'au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) comportant une extrémité de raccordement (42), et au moins un moyen de raccordement mécanique (44, 45, 46) apte à coopérer avec le ou les moyens de raccordement mécaniques (26, 27, 28, 29) de l'anode (2) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur et l'anode ; - la fourniture d'au moins un matériau de brasage apte à former un joint métallique ; - la mise en place du ou des matériaux de brasage à un endroit déterminé à proximité d'au moins une des surfaces (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) ou des surfaces (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5) destinées à être raccordées par brasage ; - l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) de manière à rapprocher lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") ; - un traitement thermique apte à entraîner la formation d'un joint brasé (31) entre le conducteur et l'anode à partir du ou des matériaux de brasage.
19. Procédé de fabrication selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'opération d'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) produit un assemblage lâche.
20. Procédé de fabrication selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que la composition du matériau de brasage, ou de l'un des matériaux de brasage, est susceptible d'être modifiée lors du traitement thermique de manière à en augmenter la température de fusion jusqu'à une valeur supérieure à la température maximale subie par ledit joint brasé (31) en cours d'utilisation.
21. Procédé de fabrication selon la revendication 20, caractérisé en ce que la composition du matériau de brasage, ou de l'un des matériaux de brasage, est susceptible d'être modifiée par évaporation d'au moins une partie de l'un de ses éléments constitutifs.
22. Procédé de fabrication selon la revendication 21, caractérisé en ce que ledit élément constitutif est du zinc ou du magnésium.
23. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que la composition du matériau de brasage, ou de l'un des matériaux de brasage, est susceptible d'être modifiée par réaction chimique d'au moins une partie de l'un de ses éléments constitutifs avec un des constituants de l'atmosphère ambiante.
24. Procédé de fabrication selon la revendication 23, caractérisé en ce que ledit élément constitutif est l'aluminium, du zinc, du magnésium ou du phosphore.
25. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 20 à 24, caractérisé en ce que la composition du matériau de brasage, ou de l'un des matériaux de brasage, est susceptible d'être modifiée par échange par diffusion, avec ou sans réaction d'oxydoréduction, d'au moins un élément avec l'une desdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40").
26. Procédé de fabrication selon la revendication 25, caractérisé en ce que tout ou partie desdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") est revêtue d'un matériau comprenant un élément, tel que du nickel, susceptible de diffuser dans le matériau de brasage.
27. Procédé de fabrication selon la revendication 25 ou 26, caractérisé en ce que ladite composition contient au moins un élément susceptible de s'échanger par au moins une réaction d'oxydoréduction avec ladite anode inerte (2).
28. Procédé de fabrication selon la revendication 27, caractérisé en ce que ledit élément est choisi parmi le magnésium, l'aluminium, le phosphore, le titane, le zirconium, l'hafnium et le zinc.
29. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 20 à 28, caractérisé en ce que le matériau de brasage est un mélange ou un alliage comprenant au moins un élément choisi parmi le cuivre, l'argent, le manganèse et le zinc.
30. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 29, caractérisé en ce que ladite mise en place comporte l'introduction d'au moins une partie du ou des matériaux de brasage entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
31. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 30, caractérisé en ce que le conducteur (3, 4, 4', 5) comporte au moins un réservoir (35), en ce que ladite mise en place comporte l'introduction d'au moins un matériau de brasage dans au moins un réservoir (35) avant le traitement thermique, en ce que l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) est effectué de manière à laisser un espace libre (32, 32') entre le conducteur et l'anode et en ce que le ou les matériaux de brasage sont introduits entre tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5) par écoulement dudit matériau lors du traitement thermique.
32. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 31, caractérisé en ce que lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") sont revêtues, en tout ou partie, d'un matériau mouillable par le ou les matériaux de brasage.
33. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 32, caractérisé en ce que ledit traitement thermique est effectué en tout ou partie lors de l'utilisation de l'assemblage anodique (1) dans une cellule d'électrolyse.
34. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 33, caractérisé en ce que la ou les surfaces (20) à proximité de l'ouverture (200) de l'anode (2) sont inclinées de manière à éviter l'écoulement du matériau de brasage dans la cavité (21) lors du brasage et/ou de l'utilisation de l'assemblage anodique.
35. Utilisation d'au moins un assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 ou obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 34 pour la production d'aluminium par électrolyse ignée.
36. Cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée comportant au moins un assemblage anodique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 17 ou obtenu par le procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 18 à 34.
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