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WO2009066025A2 - Anode rainuree de cuve d'εlectrolyse - Google Patents

Anode rainuree de cuve d'εlectrolyse Download PDF

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Publication number
WO2009066025A2
WO2009066025A2 PCT/FR2008/001248 FR2008001248W WO2009066025A2 WO 2009066025 A2 WO2009066025 A2 WO 2009066025A2 FR 2008001248 W FR2008001248 W FR 2008001248W WO 2009066025 A2 WO2009066025 A2 WO 2009066025A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
groove
anode
depth
anode block
length
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/FR2008/001248
Other languages
English (en)
Other versions
WO2009066025A3 (fr
Inventor
Claude Ritter
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 Alcan International Ltd
Original Assignee
Alcan International Ltd Canada
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
Application filed by Alcan International Ltd Canada filed Critical Alcan International Ltd Canada
Priority to AU2008327757A priority Critical patent/AU2008327757B2/en
Priority to CA2698894A priority patent/CA2698894A1/fr
Publication of WO2009066025A2 publication Critical patent/WO2009066025A2/fr
Publication of WO2009066025A3 publication Critical patent/WO2009066025A3/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/12—Anodes
    • C25C3/125—Anodes based on carbon

Definitions

  • the invention relates to the production of aluminum by igneous electrolysis according to the Hall-Héroult process and more particularly to the anodes comprising a grooved carbon anode block used in aluminum production plants.
  • Aluminum metal is produced industrially by igneous electrolysis, namely by electrolysis of alumina in solution in a bath of molten cryolite, called electrolysis bath, according to the well-known Hall-Héroult process.
  • the electrolysis bath is contained in tanks comprising a steel box, which is lined internally with refractory and / or insulating materials, and cathode elements located at the bottom of the tank. Anode blocks of carbonaceous material are partially immersed in the electrolysis bath. Each vat and the corresponding anodes form what is often called an electrolysis cell.
  • the electrolysis current which circulates in the electrolysis bath and possibly a sheet of liquid aluminum through the anodes and cathode elements, operates the alumina reduction reactions and also allows to maintain the bath of electrolysis. electrolysis at a temperature of the order of 950 ° C by Joule effect.
  • French patent application FR 2 806 742 (corresponding to US Pat. No. 6,409,894) describes installations of an electrolysis plant intended for the production of aluminum.
  • the electrolysis cells comprise a plurality of so-called "precooked" anodes of carbonaceous material which are consumed during the electrolytic reduction reactions of aluminum. Gases, and more particularly carbon dioxide, are generated during the electrolysis reactions and naturally accumulate in the form of gas bubbles under the lower, generally substantially flat, horizontal face of the anode, which influences the overall stability of the tank.
  • anodes with deep grooves such as the anodic block height to be consumed by sawing anode blocks.
  • the mechanical stresses and the vibrations exerted by the saw blades provoke the crumbling, the cracking then the bursting of the blocks of carbons.
  • the dimensions of the anode blocks of the commonly used anodes are of the order of 1200 to 1700 mm for the length, 500 to 1000 mm for the width and 550 to 700 mm in height, with one to three grooves of depth generally between 150 and 350 mm.
  • the groove produces a beneficial effect for only 62.5% of the life of the anode.
  • An object of the invention is to provide anodes to overcome the disadvantages mentioned above, that is to say to provide anodes producing a beneficial effect for a longer time without compromising the integrity of the anode blocks during their manufacture, storage, transportation or use.
  • the subject of the invention is an anode carbon block for use in an electrolysis cell intended for the production of metal, said block having a height H between an upper face and a lower face and comprising on the lower face at least one groove of depth p (x) and length Lr, the groove extending in a direction x and said depth p (x) varying along said direction x, characterized in that said depth p (x ) varies non-linearly along said x direction and in that said depth p (x) is less than a first value Z 1 over at least 60% of the length Lr of said groove and is greater than a second value Z 2 at least equal to Z 1 + 10% of the height H over 3 to 40% of the length Lr of the groove.
  • said depth p (x) is less than said first value Z 1 over at least 70% of the length Lr of said groove and said second value Z 2 is at least equal to Z 1 + 15% of the height H on 3 to 30% of the length Lr of the groove and more preferably 5 to 20% of the length of the groove.
  • the upper face has at least one fixing recess and the lower face is intended to be immersed in an electrolysis bath.
  • the non-linear variation of said depth p (x) along said x direction means a variation that can not be described using a single line or a single plane.
  • the variation may, however, include one or more linear portions.
  • the particular and innovative shape of the groove according to the invention gives it an increased lifetime while maintaining a high structural integrity of the anode block. Once the level Zi of consumed carbon reaches, at least a groove portion remains to evacuate the gases that accumulate under the underside of the anode block. The remaining groove portion, although of reduced length, makes it possible to limit the problems related to the accumulation of gases under the anode.
  • the groove comprises at least one end opening on one side of the anode block and the depth of the groove is greater than said second value Z? at the open end.
  • the groove comprises two ends each opening on one side of the anode block and the depth of the groove is greater than the second value Z? at each of the open ends.
  • the depth of the groove is typically maximum at at least one open end.
  • the groove comprises a central portion, with a flat bottom or slightly inclined at an angle less than 10 ° relative to the horizontal, surrounded on each side by an end portion , with a steep incline of 20 to 80 ° to the horizontal extending towards the upper face of the anode block towards the sides of the anode block, the ends of the groove opening on opposite sides of the block anodic.
  • the bottom or depth p (x) of the groove follows a profile in the form of a cross-section of attitude with inclined edges.
  • the groove comprises a central portion, with a flat bottom or inclined at an angle less than 10 ° relative to the horizontal, surrounded on each side by a portion of end, with a flat bottom or inclined at an angle of less than 10 ° to the horizontal, said end portions being vertically unhooked above said central portion, the ends of the groove opening on opposite sides of the anode block .
  • the bottom or the depth p (x) of the groove follows a profile in the form of an inverted cap cross-section.
  • the core of the anode block is not weakened by the groove on the greater length of the groove corresponding to the central portion.
  • the offgas advantageously occurs at a high height on the sides of the anode block in the electrolysis cell so that the agitation of the electrolysis bath is more regular and conducive to electrical, chemical and thermal equilibrium. of the cell.
  • the groove comprises a first portion, with a flat or inclined bottom of an angle less than 10 ° with respect to the horizontal, and a second flat-bottomed portion unhooked. vertically above said first portion or at a steeply inclined bottom of 20 to 80 ° with respect to the horizontal extending in the direction of the upper face of the anode block while approaching the sides of the anode block.
  • the groove has a maximum depth corresponding, within ⁇ 10 cm, to a maximum wear height of the anode block in order to maintain the effect of the groove on substantially the entire duration of use of the block in a cell. electrolysis.
  • the presence of grooves has the effect of reducing the turbulence of the electrolysis bath and the kinetic energy of turbulence for the volume located below the lower face of the anode block.
  • the plaintiff considers that this effect is even more marked when the groove is not completely immersed because of the shorter path to travel through the gas bubbles to be evacuated.
  • the reduction of turbulence is particularly beneficial in the region below the anode block because it reduces the reoxidation of the dissolved metal in the electrolysis bath.
  • part of the grooves is not immersed in the bath for a prolonged period with respect to the grooves of the prior art, and more particularly at the open ends of the grooves.
  • the gaseous releases are therefore above the bath or high in the bath, in the groove or on the sides of the blocks, which reduces the turbulence of the bath between the electrodes and reduces the distance between the electrodes and increase the energy yields.
  • the anode blocks according to the invention show a progressive or by step of the length of the grooves and therefore of their efficiency, which avoids disturbances and abrupt changes in the kinetics of the fluids with the problems of associated electrical balances and facilitates for example adaptive adjustments.
  • the grooves can be oriented so that when the gas emissions occur in the electrolysis bath (after some wear or consumption of the anode block), they are directed to the alumina loading points so to facilitate agitation and dissolution of the alumina, more particularly towards a central corridor in the electrolysis cell.
  • the invention extends to anodes having at least one anode block as described above and a fixing rod.
  • the invention also extends to an igneous electrolysis aluminum production cell comprising at least one anode as described above, as well as to a process for the manufacture of aluminum comprising the steps of: provide at least one anode as defined above;
  • Figure 1 illustrates, in cross sectional view, a typical electrolysis cell for the production of aluminum.
  • FIGS 2 to 9 show in side view different embodiments of anode anode block according to the invention.
  • Figure 10 schematically shows the bottom of a groove curved upwardly at a through end.
  • FIG. 11 shows according to another side view the anode block of FIG.
  • Electrolysis plants for aluminum production include a liquid aluminum production zone that includes one or more electrolysis rooms including electrolysis cells.
  • the electrolysis cells are normally arranged in rows or rows, each row or line typically having more than one hundred cells, and electrically connected in series using connecting conductors.
  • an electrolysis cell 1 comprises a tank 2, a support structure 3, called a "superstructure", carrying a plurality of anodes 4, means 5 for supplying the alumina and / or AlF 3 tank and means 12 for recovering the effluents emitted by the tank in operation.
  • the tank 2 typically comprises a metal box 6 internally lined with refractory materials 7, 8, a cathode assembly which comprises carbon material blocks 9, called “cathode blocks”, and metal connecting bars 10 to which electrical conductors are attached. used for the conveyance of the electrolysis current.
  • the anodes 4 each comprise at least one anode block 13 of precured carbon material and a metal rod 14.
  • the anode blocks 13 typically have a substantially parallelepiped shape.
  • the rods 14 are typically attached to the anode blocks 13 by means of fasteners 15, generally called “multipodes", having studs which are anchored in the anode blocks 13 generally via recesses and cast iron.
  • the anodes 4 are removably attached to a movable metal frame 16, referred to as the "anode frame", by mechanical fastening means, which typically include removable connectors and supports attached to the anode frame.
  • the anode frame 16 is carried by the superstructure 3 and attached to electrical conductors (not shown) for the routing of the electrolysis current.
  • the refractory materials 7, 8 and the cathode blocks 9 form, inside the tank 2, a crucible adapted to contain an electrolyte bath 17 and a sheet of liquid metal 18 when the cell 1 is in operation.
  • the tank 2 has a bottom, which is typically substantially flat and on which the sheet of liquid metal 18 is formed.
  • a cover 19 of alumina and solidified bath covers the electrolyte bath 17 and all or some of the blocks anodic 13.
  • the means 5 for feeding the alumina and / or AlF 2 tank are typically selected from hoppers, dosing units, chutes and piercers.
  • the hoppers serve to contain a reserve of alumina and / or AlF 2 in powder form.
  • the feeders are used to supply controlled amounts of alumina and / or AlF 2 in powder form.
  • the chutes serve to guide the flow of alumina and / or A! F 3 in the direction of the electrolyte bath 17. pointerolle and an actuator (such as a cylinder) for moving the chisel to form an opening in the cover 19 and allow the introduction of alumina and / or A! F 3 into the electrolyte bath 17.
  • the means 12 for recovering the effluents emitted by the tank in operation generally include a cowling provided with removable hoods and suction ducts at one end of the cell.
  • the anodes 4, and more precisely the anode blocks 13, are partially immersed in the electrolyte bath 17, which contains dissolved alumina.
  • the anode blocks 13 initially each have a bottom face that is typically substantially planar and parallel to the upper surface of the cathode blocks 9, which is generally horizontal. The distance between the underside of the anode blocks
  • interpolar distance is an important parameter in the regulation of the electrolysis cells 1.
  • the interpolar distance is generally controlled with great precision.
  • the anodic carbonaceous blocks are gradually consumed in use. In order to compensate for this wear, it is common practice to gradually lower the anodes by regularly moving the anode frame downwards. In addition, as illustrated in FIG. 1, the anode blocks are generally at different degrees of wear, advantageously to avoid having to change all the anodes at the same time.
  • FIGS 2 to 9 show different embodiments of anode blocks 13a-13h anode grooves according to the invention.
  • the anode blocks 13a-13h are seen from the side, typically on the long side, and respectively comprise grooves 20a to 20h, the bottoms of which, arranged in the heart of the anodic blocks, are represented by dotted lines, the portion below these lines. dotted being recessed over a width that can vary from 2 to 35 mm, and preferably from 5 to 25 mm.
  • the anode blocks 13a-13h are typically rectangular parallelepipeds of length L between two sides 21 and 22 typically vertical and of height H between one face lower 23 and an upper face 24 typically horizontal. According to other embodiments of the anode blocks, the upper edges can be trimmed to limit carbon losses.
  • the anode blocks are intended to be consumed up to a maximum wear height indicated by the arrows 25.
  • the grooves 20a to 20h extend in a direction x, typically parallel to the length L of the anode, and have a depth p (x) which varies along this direction x, in the manner of a mathematical function such as illustrated in Figure 2. It should be noted that the length Lr of a groove in this patent document means the length in the direction x.
  • the groove 20a of FIG. 2 extends over the entire length L of the anode block and therefore has a length Lr equal to the length L. It comprises a central portion 30 with a horizontal flat bottom and two end portions 31, 32 with a strongly inclined bottom (an angle + ⁇ or - ⁇ ) relative to the horizontal away from the underside 23 as it approaches the sides 21, 22 and opening respectively on the sides 21, 22 of the anode block 13 a.
  • the central portion 30 extends over 70% of the length Lr of the groove 20a while the end portions each extend over 15% of the length Lr of the groove 20a and the bottom of the groove 20a is inclined 45 ° relative to the horizontal on these end portions 31, 32.
  • anodic block with a height H equal to 600 mm, a maximum wear height equal to 400 mm, a length L equal to 1500 mm and a deep groove of 200 mm at the central portion 30, the bottom of the groove opens on the sides of the anode block 25 mm above the maximum wear height 25 so that a groove portion will be present in the lower surface 23 throughout the life of the anode.
  • the groove 20a will be present in the bottom surface 23 over 30% of the length Lr mid-wear of the anode, on 22% of the length Lr at 65% of the wear of the anode, on 14% of the length Lr at 80% of the wear of the anode and on more than 3% of the length Lr at the end of the life of the anode.
  • This remaining groove length helps to reduce the average free path of the gas bubbles to escape from beneath the bottom surface.
  • the gas evolution occurs longer above the electrolysis bath or higher in the electrolysis bath on the sides 21, 22 of the anode, which improves the stability of the flows in the electrolysis bath and more particularly in the region between the electrodes.
  • the core of the anode block is not touched and the overall mechanical strength of the anode block is not affected.
  • FIG. 2 with steeply inclined end portions also has the advantage of facilitating and accelerating the evacuation of gases by gravitational effect and of limiting the formation of large gas bubbles which lead to with them metal and cause its re-oxidation and therefore losses of faraday yield.
  • the embodiment illustrated in FIG. 2 can be broken down into different ranges of values for different parameters, the angle of inclination ⁇ being able to vary from 20 ° to 80 ° and preferably from 30 ° to 70 ° and still more preferably from 35 ° to 80 °.
  • the central portion may extend over 60 to 95% of the length Lr and preferably over 70 to 90% of the length Lr and more preferably from 70 to 80% of the length Lr.
  • the relationships between the length of the central portion and the angle of inclination ⁇ of the end portions are interdependent so as not to weaken the anode block and to obtain a prolonged effectiveness of the grooves.
  • a small depth of groove on at least 60% of the length Lr of the groove and more preferably on more than 70% of the length Lr of the groove to guarantee a high resistance of the groove. anodic block.
  • a deviation of more than 10% from the height H of anodic block, and more preferably a difference of more than 15% of the height H of the anode block, between this shallow groove depth and the depth of raised groove portions which extend over at least 3% , and preferably 5 to 20%, of the length Lr of the groove makes it possible to obtain grooves having a significant efficiency during a prolonged service life, and more particularly to facilitate the evacuation of gases when the wear of the block anodic exceeds this small groove depth.
  • the anode block 13a more particularly comprises two grooves 20a typically disposed one quarter of the width of the anode block 13a with respect to the long sides so as to obtain a mean free path of the gas bubbles under the minimum anode block.
  • the grooves have a width Wr which can vary typically from 2 to 35 mm, and preferably from 5 to 25 mm, the proportions not being respected in the figure for the sake of clarity.
  • the change in inclination between the central portion 30 and the end portion 31 is thus dotted.
  • the upper edges 50 of the anodic block are trimmed. Dotted lines in FIG.
  • the anode block 13a has more particularly six recesses arranged in two rows. These recesses are also very shallow and therefore have little impact on the integrity of the structure of the anode block.
  • the invention is not limited to an anodic block with a groove of symmetrical configuration with respect to a plane as can be seen in FIG. 2, where the end portions 31, 32 have an identical inclination and the same length and where the central portion 30 is horizontal but may also extend to an anode block with a groove where the two end portions may have different inclinations and / or lengths and where the central portion may be inclined relative to the horizontal at an angle less than 10 °.
  • Figure 3 shows the anode block 13b with a groove 20b having a central portion 30 'slightly inclined and end portions 31', 32 'of different lengths and different inclinations.
  • the anode block 13c has a groove 20c extending over the entire length L of the anode block, therefore of length Lr equal to L, the depth of which varies. in steps.
  • the groove 20c has a central portion 33 with a horizontal flat bottom and two end portions 34, 35 with a horizontal flat bottom, the groove 20c being deeper on the end portions 34, 35 than on the central portion 33.
  • the end portions 34, 35 have open ends opening on the sides 21 and 22, typically approximately at the level of the maximum wear height 25 of the anode and the portion The center extends over 70% of the length Lr of the groove at mid-depth between the maximum wear height 25 and the bottom surface 23 of the anode block.
  • the end portions advantageously open approximately at the level of the maximum wear height so as to maintain a groove until the change of anode without unnecessarily weakening the anode block.
  • the height of maximum wear itself not being a strict fixed value for all the anode blocks but corresponding to a average value.
  • the central portion 33 extends over at least 60% of the length Lr, and preferably over more than 70%, and the end portions 34, 35 are deeper than the central portion 33 of at least 10% of the height H of the anode block, and preferably at least 15% of the height H of the anode block.
  • the central and / or end portions may have a bottom slightly inclined to the horizontal by an angle of less than 10 ° and the end portions may have different lengths or depths. Also, the groove may have a greater number of bearings.
  • the anode block 13d has a groove 20D extending over the entire length of the anode block and having a first portion 36 slightly inclined with respect to the horizontal angle ⁇ 1 generally less than 10 ° and a second portion 37 more strongly inclined relative to the horizontal, preferably an angle ⁇ 2 greater than 20 °.
  • the inclination of the second portion 37 is sufficient for the groove 20D to persist for a substantial amount of time after the groove has been fully consumed on the first portion 36.
  • the anode block 13e has a groove 20e opening on a single side 22 of the anode block 13e.
  • the length Lr of the groove 20e is less than the length L of the anode block.
  • the groove 20e more particularly comprises a first portion 38 of shallow depth and a second portion 39 of deep depth. As can be seen in FIG. 6, the bottom of the grooves can describe a curvilinear trajectory.
  • the side on which the groove 20e or the inclination of the bottom of the groove 2Od opens is advantageously configured so as to direct and control the gas flows.
  • the orientation of the grooves, preferably longitudinally in the anode block, but also sometimes transversely or diagonally influences the overall kinetics of the fluids of the tank.
  • the grooves are oriented and inclined so as to direct the offgases to a corridor in which the alumina is charged.
  • a corridor is typically arranged between two rows of anodes as can be seen in FIG. 1 between the two anode blocks 13 but can also be disposed between an edge of the tank and a row of anodes.
  • the agitation caused by the gas flows can further improve the dissolution and distribution of alumina in the electrolysis bath, as well as the thermal and chemical equilibrium of the bath.
  • the anode block 13f has a groove 20f substantially similar to the groove 20a but having a central nonlinear V-shaped portion 30, the two branches 40, 41 of the V being inclined relative to the horizontal of an angle ⁇ between + 10 ° and -10 °.
  • the anode block 13g has along its length L two grooves 20g 'and 20g "of length Lr', Lr", each opening on an opposite side 21, 22 anodic block.
  • Each of the grooves 20g 'and 20g is constituted by steps and comprises a first portion 42', 42" of shallow depth and a second portion 43 ', 43 "of deep depth on the opening side.
  • the lower surface 23 of the anode block is not hollowed so that such anode block has a particularly high strength.
  • the first portions 42 ', 42 extendend over at least 60% of the length Lr', Lr" of the groove, and preferably more than 70%, and the second portions 43 ', 43 are respectively deeper than the first portions 42 ', 42 "of at least 10% of the height H of the anode block, and preferably at least 15% of the height H of the anode block.
  • the anode block 13h comprises a groove 20h of length Lr that does not open on the sides 21, 22 of the anode block 13h.
  • the groove 20h is in the form of hood with two portions of sides 44, 45 substantially horizontal extended in the center by a duct 46 rising narrowing.
  • the conduit 46 opens on the upper face 24 of the anode block where the gases are evacuated.
  • the duct 46 tapers gradually so that it acts as a groove for a prolonged period.
  • the central position of the duct contributes to reducing the average free path of the gas bubbles.
  • the physical strength of such anode block comes from the fact that the sides 21, 22 of the anode block 13h are not notched.
  • the evacuation of gases through the upper surface of the anode block improves the overall stability of the electrolysis bath.
  • each groove has a maximum depth at the ends opening on the sides to allow evacuation of gases by gravitational effect.
  • the bottom of the grooves may have a rounded upward trajectory at the open ends as illustrated in FIG. 10 so as to facilitate the continuous evacuation of the gases.
  • the grooves have a depth that varies non-linearly in the x direction, that is to say that the depth of the groove does not vary constantly from one end to the other of the groove.
  • the bottom of the grooves has for example a variation of inclination or a recess.
  • the grooves can be divided into at least two parts, a first part accounting for at least 60% and preferably 70% of the length Lr of the groove having a depth less than a threshold Z 1 , and a second portion accounting for at least 3%, preferably more than 5%, and more preferably more than 10%, of the length Lr of the groove, this second part having a depth greater than a threshold Z 2 is equivalent to Z 1 + 10% of the height H and is preferably equivalent to Z 1 + 15% of the height H.
  • the shallow first part serves as a compact structure at the anode block in order to give it an important resistance.
  • the second part is offset vertically relative to the first part so that when the anode block is consumed up to the threshold Z 1 , a groove portion, at least as long as the second part, remains and facilitates the evacuation of gas.
  • This second part has a restricted length so as not to weaken the structure of the anode block.
  • the carbonaceous anode blocks used for the manufacture of aluminum typically comprise 1 to 4 grooves.
  • Each groove preferably has a constant width W n but may also have variations in width along the x direction or functions of the depth.
  • two grooves may have different widths Wr.
  • the cross-sectional profile of the bottom of each groove is preferably horizontal but may also have a particular inclination or curvature.
  • the grooves can be made either during the molding of the green blocks or by sawing the fired blocks.
  • This invention is particularly advantageous in the case where the grooves are obtained by molding because such anodic groove blocks are more subject to degradation during demolding, storage, transport or cooking. Vertical scraps are introduced into the molds to conform the grooves.
  • the blocks are demolded by pushing in a single direction so that according to the embodiments of the invention, it may be necessary to remove the remains before demolding or push the anode block by the lower surface.

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Abstract

L'invention a pour objet un bloc anodique en carbone pour utilisation dans une cellule d'électrolyse de métal de hauteur H entre une face supérieure (24) et une face inférieure (23) et comprenant sur la face inférieure (23) au moins une rainure (20a) de profondeur p(x) et de longueur Lr, la rainure s 'étendant selon une direction x et ladite profondeur p(x) étant variable le long de ladite direction x, caractérisé en ce que ladite profondeur p(x) varie de façon non-linéaire le long de ladite direction x et en ce que ladite profondeur p(x) est inférieure à une première valeur Z1 sur au moins 60% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à une deuxième valeur Z2 au moins égale à Z1 + 10% de la hauteur H sur 3 à 40% de la longueur Lr de la rainure.

Description

ANODE RAINUREE DE CUVE DΕLECTROLYSE
Domaine de l'invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé de Hall-Héroult et plus particulièrement les anodes comportant un bloc anodique en carbone rainure utilisées dans les usines de production d'aluminium.
Etat de Ia technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse d'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé bain d'électrolyse, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyse est contenu dans des cuves comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et d'éléments cathodiques situés au fond de la cuve. Des blocs anodiques en matériau carboné sont partiellement immergés dans le bain d'électrolyse. Chaque cuve et les anodes correspondantes forment ce qui est souvent appelé une cellule d'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyse et possiblement une nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule.
La demande de brevet français FR 2 806 742 (correspondant au brevet américain US 6 409 894) décrit des installations d'une usine d'électrolyse destinée à la production d'aluminium.
Selon la technologie la plus répandue, les cellules d'électrolyse comportent une pluralité d'anodes dites "précuites" en matériau carboné qui sont consommées lors des réactions de réduction électrolytique de l'aluminium. Des gaz, et plus particulièrement du dioxyde de carbone, sont générés lors des réactions d'électrolyse et viennent naturellement s'accumuler sous la forme de bulles de gaz sous la face inférieure, généralement sensiblement plate et horizontale, de l'anode, ce qui influe sur la stabilité globale de la cuve.
II résulte en effet de l'accumulation de ces bulles de gaz :
- des variations et instabilités électriques,
- une fréquence élevée et une durée importante des effets d'anode,
- une possibilité accrue de réaction inverse et donc une perte de rendement du fait de la faible distance entre la couche d'aluminium produite et les bulles de CO2,
- une consommation accrue de carbone et la formation de gaz nocifs du fait de la transformation du CO2 en CO au contact du carbone.
Il est connu d'utiliser des anodes avec des blocs anodiques carbonés comportant une ou plusieurs rainures dans la partie inférieure de manière à faciliter l'évacuation des bulles de gaz et empêcher leur accumulation afin de résoudre les problèmes cités ci- dessus et réduire la consommation d'énergie comme montré dans Light Metals 2005 « Energy saving in Hindalco's Aluminium Smelter », S. C. Tandon & R.N. Prasad. Les rainures permettent de diminuer le libre parcours moyen des bulles de gaz sous l'anode pour sortir de l'espace entre les électrodes et donc de réduire la taille des bulles qui se forment sous l'anode.
L'intérêt de l'utilisation de rainures a déjà été étudié et prouvé, par exemple dans Light metals 2007 p.305-310 « The impact of slots on réduction cell individual anode current variation », Geoff Bearne, Dereck Gadd, Simon Lix ou Light metals 2007 p.299-304 « Development and deployment of slotted anode technology at Alcoa », Xiangwen Wang et al. . Il est également connu des documents suivants:
- WO 2006/137739 d'utiliser des rainures plus fines (de l'ordre de 2 à 8 mm) que celles communément utilisées (de l'ordre de 8 à 20 mm) de manière à optimiser la masse carbonée utile et la surface d'échange; - US 7 179 353 d'utiliser une anode comportant des rainures débouchant sur un unique coté ou face latérale du bloc anodique, et plus particulièrement vers le centre de la cellule d'électrolyse de manière à améliorer la dissolution de l'alumine ;
- WO 2006/137739, US 7 179 353 et de Light Metals 2007 p.283-285 « Slot cutting in anodes » de Jean-Jacques Grunspan, d'incliner le fond des rainures d'un angle allant jusqu'à 10° afin d'accélérer l'évacuation des gaz piégés dans les rainures et de maîtriser l'orientation des flux de gaz.
Une limite bien connue à l'utilisation de ces rainures résulte du fait que la profondeur des rainures est limitée afin de ne pas perturber l'intégrité mécanique et physique des blocs anodiques carbonés. Or les blocs anodiques carbonés sont consommés progressivement au cours de la réaction d'électrolyse sur une hauteur supérieure à la profondeur des rainures de sorte que la durée d'existence des rainures d'une anode est inférieure à la durée de vie de l'anode. Par conséquent, pendant un certain laps de temps au cours de la durée de vie des anodes, la partie inférieure des blocs anodiques ne comporte plus de rainure. Les problèmes mentionnés ci-dessus pour des anodes sans rainures se font alors ressentir.
En effet, comme mentionné dans Light metals 2007 p.299-304 « Development and deployement of slotted anode technology at Alcoa », la profondeur des rainures est limitée pour des raisons d'intégrité principalement dans le cas de rainures formées par moulage sur des blocs anodiques crus de sorte que les effets bénéfiques résultant de la présence des rainures sont observables uniquement sur une partie de la durée de vie des anodes. Les rainures créent des faiblesses dans les blocs anodiques crus qui se fendent alors lors de leur transport, de leur stockage ou de leur cuisson.
Il s'avère en pratique également impossible d'obtenir de manière fiable par sciage de blocs anodiques cuits des anodes avec des rainures aussi profondes que la hauteur de bloc anodique destinée à être consommée. Les contraintes mécaniques et les vibrations exercées par les lames de sciage provoquent l'effritement, le fendillement puis l'éclatement des blocs de carbones. Les dimensions des blocs anodiques des anodes communément utilisées sont de l'ordre de 1200 à 1700 mm pour la longueur, 500 à 1000 mm pour la largeur et 550 à 700 mm de hauteur, avec une à trois rainures de profondeur généralement comprise entre 150 et 350 mm.
Aussi pour un bloc anodique de 600 mm de hauteur avec une hauteur de carbone consommable de 400 mm et une rainure de 250 mm de profondeur, la rainure produit un effet bénéfique pendant seulement 62.5% de la durée de vie de l'anode.
Un but de l'invention est de proposer des anodes permettant de remédier aux inconvénients évoqués ci-dessus, c'est-à-dire de proposer des anodes produisant un effet bénéfique pendant une durée plus importante sans toutefois compromettre l'intégrité des blocs anodiques pendant leur fabrication, leur stockage, leur transport ou leur utilisation.
Description de l'invention
A cet effet, l'invention a pour objet un bloc anodique en carbone pour utilisation dans une cellule d'électrolyse de destinée à la production de métal, ledit bloc ayant une de hauteur H entre une face supérieure et une face inférieure et comprenant sur la face inférieure au moins une rainure de profondeur p(x) et de longueur Lr, la rainure s 'étendant selon une direction x et ladite profondeur p(x) variant le long de ladite direction x, caractérisé en ce que ladite profondeur p(x) varie de façon non linéaire le long de ladite direction x et en ce que ladite profondeur p(x) est inférieure à une première valeur Z1 sur au moins 60% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à une deuxième valeur Z2 au moins égale à Z1 + 10% de la hauteur H sur 3 à 40% de la longueur Lr de la rainure. De préférence, ladite profondeur p(x) est inférieure à ladite première valeur Z1 sur au moins 70% de la longueur Lr de ladite rainure et ladite deuxième valeur Z2 est au moins égale à Z1 + 15% de la hauteur H sur 3 à 30% de la longueur Lr de la rainure et de préférence encore sur 5 à 20% de la longueur de la rainure. La face supérieure comporte au moins un évidement de fixation et la face inférieure est destinée à être immergée dans un bain d'électrolyse.
La variation non-linéaire de ladite profondeur p(x) le long de ladite direction x s'entend d'une variation qui ne peut pas se décrire à l'aide d'une unique droite ou d'un unique plan. La variation peut toutefois comporter une ou plus d'une portion linéaire.
La forme particulière et innovante de la rainure selon l'invention lui confère une durée de vie accrue tout en maintenant une intégrité structurelle élevée du bloc anodique. Une fois le niveau Zi de carbone consommé atteint, au moins une portion de rainure subsiste pour évacuer les gaz qui s'accumulent sous la face inférieure du bloc anodique. La portion de rainure subsistante, bien que de longueur réduite, permet de limiter les problèmes liés à l'accumulation des gaz sous l'anode.
Selon un mode de réalisation, la rainure comprend au moins une extrémité débouchant sur un côté du bloc anodique et la profondeur de la rainure est supérieure à ladite deuxième valeur Z? au niveau de l'extrémité débouchante. Selon une variante de ce mode de réalisation, la rainure comprend deux extrémités débouchant chacune sur un côté du bloc anodique et la profondeur de la rainure est supérieure à la seconde valeur Z? au niveau de chacune des extrémités débouchantes. La profondeur de la rainure est typiquement maximale au niveau d'au moins une extrémité débouchante.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la rainure comporte une portion centrale, avec un fond plat ou légèrement incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, entourée de chaque côté par une portion d'extrémité, à fond fortement incliné de 20 à 80° par rapport à l'horizontale en s'étendant en direction de la face supérieure du bloc anodique en se rapprochant des côtés du bloc anodique, les extrémités de la rainure débouchant sur des côtés opposés du bloc anodique. En d'autres termes, le fond ou profondeur p(x) de la rainure suit un profil en forme de coupe transversale d'assiette à bords inclinés. Selon encore un autre mode de réalisation particulier de l'invention, la rainure comporte une portion centrale, avec un fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, entourée de chaque côté par une portion d'extrémité, à fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, lesdites portions d'extrémités étant décrochées verticalement au dessus de ladite portion centrale, les extrémités de la rainure débouchant sur des côtés opposés du bloc anodique. En d'autres termes, le fond ou la profondeur p(x) de la rainure suit un profil en forme de coupe transversale de chapeau renversé.
Selon ces modes de réalisation, le cœur du bloc anodique n'est pas affaibli par la rainure sur la majeure longueur de la rainure correspondant à la portion centrale. Par ailleurs, les dégagements gazeux se produisent avantageusement à une hauteur élevée sur les côtés du bloc anodique dans la cellule d'électrolyse de sorte que l'agitation du bain d'électrolyse est plus régulière et propice à l'équilibre électrique, chimique et thermique de la cellule.
Selon encore d'autres modes de réalisation particuliers de l'invention, la rainure comporte une première portion, avec un fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10° par rapport à l'horizontale, et une seconde portion à fond plat décrochée verticalement au dessus de ladite première portion ou à fond fortement incliné de 20 à 80° par rapport à l'horizontale en s'étendant en direction de la face supérieure du bloc anodique en se rapprochant des côtés du bloc anodique.
Avantageusement, la rainure a une profondeur maximale correspondant, à ± 10 cm près, à une hauteur d'usure maximale du bloc anodique afin de maintenir l'effet de la rainure sur sensiblement toute la durée d'utilisation du bloc dans une cellule d'électrolyse.
La présence de rainures a pour effet de réduire la turbulence du bain d'électrolyse et l'énergie cinétique de turbulence pour le volume situé en dessous de la face inférieure du bloc anodique. La demanderesse considère que cet effet est encore plus marqué lorsque la rainure n'est pas entièrement immergée du fait du chemin plus court à parcourir par les bulles de gaz pour être évacuées. La réduction de la turbulence est particulièrement bénéfique dans la région en dessous du bloc anodique car elle réduit la réoxydation du métal dissout dans le bain d'électrolyse.
Avec les blocs anodiques selon l'invention, une partie des rainures n'est pas immergée dans le bain pendant une durée prolongée par rapport aux rainures de l'art antérieur, et plus particulièrement au niveau des extrémités débouchantes des rainures. Les dégagements gazeux se font donc au dessus du bain ou haut dans le bain, dans la rainure ou sur les côtés des blocs, ce qui réduit la turbulence du bain entre les électrodes et permet de diminuer la distance entre les électrodes et d'augmenter les rendements énergétiques.
Aussi, par rapport à un bloc anodique de l'art antérieur pour lequel on passait, par consommation de carbone ou usure, d'une rainure effective à une absence de rainure, on observe avec les blocs anodiques selon l'invention une diminution progressive ou par palier de la longueur des rainures et donc de leur efficacité, ce qui évite des perturbations et changements brusques de la cinétique des fluides avec les problèmes d'équilibres électriques associés et facilite par exemple des réglages adaptatifs.
Par ailleurs, les rainures peuvent être orientées de telle sorte que lorsque les dégagements gazeux se produisent dans le bain d'électrolyse (après une certaine usure ou consommation du bloc anodique), ceux-ci sont dirigés vers les points de chargement en alumine de manière à faciliter l'agitation et la dissolution de l'alumine, plus particulièrement vers un couloir central dans la cellule d'électrolyse.
L'invention s'étend aux anodes ayant au moins un bloc anodique tel que décrit ci- dessus et une tige de fixation.
L'invention s'étend également à une cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée comportant au moins une d'anode telle que décrite ci-dessus, ainsi qu'à un procédé pour la fabrication d'aluminium comprenant les étapes consistant à : - fournir au moins une anode telle que définit ci-dessus ;
- installer l'anode dans une eave cellule d'électrolyse d'aluminium ;
- faire passer du courant dans la ewe cellule d'électrolyse à travers l'anode ;
- récupérer l'aluminium obtenu par électrolyse dans le fond de la cuve de la cellule d'électrolyse.
L'invention est décrite plus en détail ci-après à l'aide des figures annexées.
Brève description des figures
La figure 1 illustre, vue en section transversale, une cellule d'électrolyse typique destinée à la production d'aluminium.
Les figures 2 à 9 représentent en vue de côté différents modes de réalisation d'un bloc anodique d'anode selon l'invention.
La figure 10 représente de façon schématique le fond d'une rainure courbé vers le haut au niveau d'une extrémité débouchante.
La figure 11 montre selon une autre vue de côté le bloc anodique de la figure 2.
Description détaillée de l'invention
Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent une zone de production d'aluminium liquide qui comprend une ou plusieurs salles d'électrolyse comportant des cellules d'électrolyse. Les cellules d'électrolyse sont normalement disposées en rangées ou files, chaque rangée ou file comportant typiquement plus d'une centaine de cellules, et raccordées électriquement en série à l'aide de conducteurs de liaison.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse 1 comprend une cuve 2, une •structure de support 3, appelée "superstructure", portant une pluralité d'anodes 4, des moyens 5 pour alimenter la cuve en alumine et/ou en AlF3 et des moyens 12 pour récupérer les effluents émis par la cuve en fonctionnement.
La cuve 2 comprend typiquement un caisson métallique 6 garni intérieurement de matériaux réfractaires 7, 8, un ensemble cathodique qui comprend des blocs en matériau carboné 9, appelés "blocs cathodiques", et des barres de raccordement métalliques 10 auxquelles sont fixés des conducteurs électriques 11 servant à l'acheminement du courant d'électrolyse. Les anodes 4 comportent chacune au moins un bloc anodique 13 en matériau carboné précuit et une tige métallique 14. Les blocs anodiques 13 ont typiquement une forme sensiblement parallélépipédique. Les tiges 14 sont typiquement fixées aux blocs anodiques 13 par l'intermédiaire d'éléments de fixation 15, généralement appelés "multipodes", comportant des goujons qui sont ancrés dans les blocs anodiques 13 généralement par l'intermédiaire d'évidements et de fonte. Les anodes 4 sont fixées de manière amovible à un cadre métallique mobile 16, appelé "cadre anodique", par des moyens de fixation mécaniques, qui incluent typiquement des connecteurs amovibles et des supports fixés avi cadre anodique. Le cadre anodique 16 est porté par la superstructure 3 et fixé à des conducteurs électriques (non illustrés) servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Les matériaux réfractaires 7, 8 et les blocs cathodiques 9 forment, à l'intérieur de la cuve 2, un creuset apte à contenir un bain d'électrolyte 17 et une nappe de métal liquide 18 lorsque la cellule 1 est en fonctionnement. La cuve 2 possède un fond, qui est typiquement sensiblement plat et sur lequel se forme la nappe de métal liquide 18. En général, une couverture 19 d'alumine et de bain solidifié recouvre le bain d'électrolyte 17 et tout ou partie des blocs anodiques 13.
Les moyens 5 pour alimenter la cuve en alumine et/ou en AlF^ sont typiquement choisis parmi les trémies, les doseurs, les goulottes et les piqueurs. Les trémies servent à contenir une réserve d'alumine et/ou d'AlF^ sous forme pulvérulente. Les doseurs servent à founir des quantités contrôlées d'alumine et/ou d'AlF^ sous forme pulvérulente. Les goulottes servent à guider l'écoulement d'alumine et/ou d'A!F3 en direction du bain d'électrolyte 17. Les piqueurs comportent généralement une pointerolle et un actionneur (tel qu'un vérin) pour déplacer la pointerolle de manière à former une ouverture dans la couverture 19 et permettre l'introduction d'alumine et/ou d'A!F3 dans le bain d'électrolyte 17.
Les moyens 12 pour récupérer les effluents émis par la cuve en fonctionnement incluent généralement un capotage muni de capots amovibles et des conduits d'aspiration à une extrémité de la cellule.
Les anodes 4, et plus précisément les blocs anodiques 13, sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte 17, qui contient de l'alumine dissoute. Les blocs anodiques 13 ont initialement chacun une face inférieure typiquement essentiellement plane et parallèle à la surface supérieure des blocs cathodiques 9, qui est généralement horizontale. La distance entre la face inférieure des blocs anodiques
13 et la surface supérieure des blocs cathodiques 9, dite "distance interpolaire", est un paramètre important dans la régulation des cellules d'électrolyse 1. La distance interpolaire est généralement contrôlée avec une grande précision.
Les blocs carbonés anodiques sont progressivement consommés en utilisation. Afin de compenser cette usure, il est de pratique courante d'abaisser progressivement les anodes en déplaçant régulièrement le cadre anodique vers le bas. En outre, comme illustré à la figure 1, les blocs anodiques sont généralement à des degrés d'usure différents, avantageusement pour éviter d'avoir à changer toutes les anodes en même temps.
Les figures 2 à 9 présentent différents mode de réalisation de blocs anodiques 13 a- 13h rainures d'anodes selon l'invention. Les blocs anodiques 13a-13h sont vus de côté, typiquement du côté long, et comportent respectivement des rainures 20a à 2Oh dont les fonds, disposés au cœur des blocs anodiques, sont représentés par des traits en pointillés, la portion en dessous de ces traits en pointillés étant évidée sur une largeur pouvant varier de 2 à 35 mm, et préférablement de 5 à 25 mm. Les blocs anodiques 13a-13h sont typiquement des parallélépipèdes rectangles de longueur L entre deux côtés 21 et 22 typiquement verticaux et de hauteur H entre une face inférieure 23 et une face supérieure 24 typiquement horizontales. Selon d'autres modes de réalisation des blocs anodiques, les arêtes supérieures peuvent être rognées pour limiter les pertes de carbone. Les blocs anodiques sont destinés à être consommés jusqu'à une hauteur maximale d'usure indiquée par les flèches 25.
Les rainures 20a à 2Oh s'étendent selon une direction x, typiquement parallèle à la longueur L de l'anode, et ont une profondeur p(x) qui varie le long de cette direction x, à la manière d'une fonction mathématique comme illustré sur la figure 2. Il est à noter que l'on entend par longueur Lr d'une rainure dans le présent document de brevet, la longueur selon la direction x.
La rainure 20a de la figure 2 s'étend sur toute la longueur L du bloc anodique et a par conséquent une longueur Lr égale à la longueur L. Elle comporte une portion centrale 30 avec un fond plat horizontal et deux portions d'extrémités 31, 32 avec un fond fortement incliné (d'un angle +α ou -α) par rapport à l'horizontale en s 'éloignant de la face inférieure 23 à mesure qu'il se rapproche des côtés 21, 22 et débouchant respectivement sur les côtés 21, 22 du bloc anodique 13 a. Dans l'exemple de la figure 2, la portion centrale 30 s'étend sur 70% de la longueur Lr de la rainure 20a tandis que les portions d'extrémités s'étendent chacune sur 15% de la longueur Lr de la rainure 20a et le fond de la rainure 20a est incliné de 45° par rapport à l'horizontale sur ces portions d'extrémités 31, 32.
Avec un bloc anodique de hauteur H égale à 600 mm, de hauteur maximale d'usure égale à 400 mm, de longueur L égale à 1500 mm et une rainure profonde de 200 mm au niveau de la partie centrale 30, le fond de la rainure débouche sur les côtés du bloc anodique 25 mm au dessus de la hauteur d'usure maximale 25 de sorte qu'une portion de rainure sera présente dans la surface inférieure 23 pendant tout la durée de vie de l'anode.
En comparaison d'un bloc anodique avec une rainure à fond plat de 200 mm de profondeur effective sur seulement la moitié de la durée de vie de l'anode, la rainure 20a sera présente dans la surface inférieure 23 sur 30% de la longueur Lr à mi-usure de l'anode, sur 22% de la longueur Lr à 65% de l'usure de l'anode, sur 14% de la longueur Lr à 80% de l'usure de l'anode et sur plus de 3% de la longueur Lr à la fin de la durée de vie de l'anode. Cette longueur de rainure restante contribue à réduire le libre parcours moyen des bulles de gaz pour s'échapper de sous la surface inférieure. Aussi, le dégagement gazeux se produit plus longtemps au dessus du bain d'électrolyse ou plus haut dans le bain d'électrolyse sur le côtés 21, 22 de l'anode, ce qui améliore la stabilité des flux dans le bain d'électrolyse et plus particulièrement dans la région entre les électrodes.
Comme les rainures s'enfoncent profondément dans le bloc anodique uniquement au niveau des portions d'extrémités, le cœur du bloc anodique n'est pas touché et la résistance mécanique globale du bloc anodique est peu affectée.
Le mode de réalisation de la figure 2 avec des portions d'extrémités fortement inclinées présente en outre l'avantage de faciliter et d'accélérer l'évacuation des gaz par effet gravitationnel et de limiter la formation de bulles de gaz de taille importante qui entraînent avec elles du métal et provoquent sa ré-oxydation et donc des pertes de rendement faraday.
Le mode de réalisation illustré sur la figure 2 peut se décliner selon différentes gammes de valeur pour différents paramètres, l'angle d'inclinaison α pouvant varier de 20° à 80° et préférablement de 30° à 70° et encore plus préférablement de 35° à 55°, et la partie centrale peut s'étendre sur 60 à 95% de la longueur Lr et préférablement sur 70 à 90% de la longueur Lr et plus préférablement de 70 à 80% de la longueur Lr. Les relations entre la longueur de la partie centrale et l'angle d'inclinaison α des portions d'extrémités sont interdépendantes de sorte à ne pas affaiblir le bloc anodique et à obtenir une efficacité prolongée des rainures.
D'une manière générale, il est préférable de conserver une profondeur de rainure peu importante sur au moins 60% de la longueur Lr de la rainure et plus préférablement encore sur plus 70% de la longueur Lr de la rainure pour garantir une résistance élevée du bloc anodique. Un écart d'une valeur de plus de 10% de la hauteur H du bloc anodique, et plus préférablement un écart d'une valeur de plus de 15% de la hauteur H du bloc anodique, entre cette profondeur de rainure peu importante et la profondeur de portions de la rainure surélevées qui s'étendent sur au moins 3 %, et de préférence sur 5 à 20 %, de la longueur Lr de la rainure permet d'obtenir des rainures ayant une efficacité significative pendant une durée de vie prolongée, et plus particulièrement de faciliter l'évacuation des gaz lorsque l'usure du bloc anodique dépasse cette profondeur de rainure peu importante.
On a représenté sur la figure 11 en vue de côté, selon le côté court 21, le bloc anodique 13a. Le bloc anodique 13a comporte plus particulièrement deux rainures 20a disposées typiquement chacune au quart de la largeur du bloc anodique 13a par rapport aux côtés longs de manière à obtenir un libre parcours moyen des bulles de gaz sous le bloc anodique minimum. Les rainures ont une largeur Wr pouvant varier typiquement de 2 à 35 mm, et préférablement de 5 à 25 mm, les proportions n'étant pas respectées sur la figure pour des raisons de clarté. On observe ainsi en pointillés le changement d'inclinaison entre la portion centrale 30 et la portion d'extrémité 31. Dans l'exemple de la figure 11, les arêtes supérieures 50 du bloc anodique sont rognées. On observe également en pointillés sur la figure 11 des évidements 51 formant des emplacements à l'intérieur desquels peuvent venir se fixer des goujons des « multipodes ». Dans cet exemple, le bloc anodique 13a présente plus particulièrement six évidements disposés sur deux rangées. Ces évidements sont en outre très peu profonds et ont par conséquent peu d'impact sur l'intégrité de la structure du bloc anodique.
En outre, l'invention ne se limite pas à un bloc anodique avec une rainure de configuration symétrique par rapport à un plan comme visible sur la figure 2 où les portions d'extrémités 31, 32 ont une inclinaison identique et une même longueur et où la partie centrale 30 est horizontale mais peut s'étendre également à un bloc anodique avec une rainure où les deux portions d'extrémités peuvent avoir des inclinaisons et/ou des longueurs différentes et où la portion centrale peut être inclinée par rapport à l'horizontale d'un angle inférieur à 10°. Un tel exemple est illustré sur la figure 3 montrant le bloc anodique 13b avec une rainure 20b comportant une portion centrale 30' légèrement inclinée et des portions d'extrémités 31', 32' de longueurs différentes et d'inclinaisons différentes.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, le bloc anodique 13c comporte une rainure 20c s 'étendant sur toute la longueur L du bloc anodique, par conséquent de longueur Lr égale à L, et dont la profondeur varie par paliers. La rainure 20c comporte une portion centrale 33 avec un fond plat horizontal et deux portions d'extrémités 34, 35 avec un fond plat horizontal, la rainure 20c étant plus profonde sur les portions d'extrémités 34, 35 que sur la portion centrale 33. Selon le mode de réalisation particulier présenté sur la figure 4, les portions d'extrémités 34, 35 ont des extrémités débouchantes débouchant sur les côtés 21 et 22 typiquement approximativement au niveau de la hauteur d'usure maximale 25 de l'anode et la portion centrale s'étend sur 70% de la longueur Lr de la rainure à mi- profondeur entre la hauteur d'usure maximale 25 et la surface inférieure 23 du bloc anodique. Les portions d'extrémités débouchent avantageusement approximativement au niveau de la hauteur d'usure maximale de manière à conserver une rainure jusqu'au changement d'anode sans fragiliser de manière inutile le bloc anodique. Par approximativement, on entend à plus ou moins 10 centimètres près, et de préférence à plus ou moins 5 centimètres près, la hauteur d'usure maximale n'étant elle-même pas une valeur fixe stricte pour tous les blocs anodiques mais correspondant à une valeur moyenne.
Selon l'invention, la portion centrale 33 s'étend sur au moins 60% de la longueur Lr, et de préférence sur plus de 70%, et les portions d'extrémités 34, 35 sont plus profondes que la portion centrale 33 d'au moins 10% de la hauteur H du bloc anodique, et de préférence d'au moins 15% de la hauteur H du bloc anodique.
Avec une telle configuration, lorsque le bloc anodique est consommé jusqu'à hauteur du fond de la portion centrale 33, la rainure 20c est présente sur les portions d'extrémités 34, 35 pendant un laps de temps supplémentaire. Les portions d'extrémités, plus profondes, étant latérales et de longueurs réduites, la structure du bloc anodique n'est pas affaiblie par une telle rainure.
Les portions centrale et/ou d'extrémités peuvent avoir un fond légèrement incliné par rapport à l'horizontal d'un angle inférieur à 10° et les portions d'extrémités peuvent avoir des longueurs ou des profondeurs différentes. Aussi, la rainure peut présenter un nombre de paliers plus important.
Comme visible sur la figure 5, selon l'invention, le bloc anodique 13d comporte une rainure 2Od s 'étendant sur toute la longueur du bloc anodique et comportant une première portion 36 légèrement inclinée par rapport à l'horizontale, d'un angle αl généralement inférieur à 10° et une seconde portion 37 plus fortement inclinée par rapport à l'horizontale, de préférence d'un angle α2 supérieur à 20°. L'inclinaison de la seconde portion 37 est suffisante pour que la rainure 2Od perdure en partie pendant une durée importante après que la rainure ait été entièrement consommée sur la première portion 36.
Comme visible sur la figure 6, selon l'invention, le bloc anodique 13e comporte une rainure 20e débouchant sur un unique côté 22 du bloc anodique 13e. La longueur Lr de la rainure 20e est inférieure à la longueur L du bloc anodique. La rainure 20e comporte plus particulièrement une première portion 38 de faible profondeur et une seconde portion 39 de forte profondeur. Comme visible sur la figure 6, le fond des rainures peut décrire une trajectoire curviligne.
Le côté sur lequel débouche la rainure 20e ou encore l'inclinaison du fond de la rainure 2Od est avantageusement configuré de manière à diriger et contrôler les flux gazeux. Aussi, l'orientation des rainures, de préférence longitudinalement dans le bloc anodique, mais aussi parfois transversalement ou en diagonal influe sur la cinétique globale des fluides de la cuve. De préférence, les rainures sont orientées et inclinées de manière à diriger les dégagements gazeux vers un couloir dans lequel est chargée l'alumine. Un tel couloir est typiquement disposé entre deux rangées d'anodes comme visible sur la figure 1 entre les deux blocs anodiques 13 mais peut également être disposé entre un bord de la cuve et une rangée d'anodes. L'agitation provoquée par les flux gazeux peut en outre améliorer la dissolution et la distribution de l'alumine dans le bain d'électrolyse, ainsi que l'équilibre thermique et chimique du bain.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention illustré figure 7, le bloc anodique 13f comporte une rainure 2Of sensiblement similaire à la rainure 20a mais comportant une partie centrale 30 non linéaire en forme de V, les deux branches 40, 41 du V étant inclinées par rapport à l'horizontale d'un angle β compris entre +10° et -10°.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 8, le bloc anodique 13g comporte sur sa longueur L deux rainures 20g' et 20g" de longueur Lr', Lr", chacune débouchant sur un côté opposé 21, 22 du bloc anodique. Chacune des rainures 20g' et 20g" est constituée par paliers et comporte une première portion 42', 42" de faible profondeur et une seconde portion 43', 43" de forte profondeur du côté débouchant. Entre les deux rainures 20g' et 20g", la surface inférieure 23 du bloc anodique n'est pas creusée de sorte qu'un tel bloc anodique a une résistance particulièrement importante. Selon l'invention, les premières portions 42', 42" s'étendent sur au moins 60% de la longueur Lr', Lr" de la rainure, et de préférence sur plus de 70%, et les secondes portions 43 ',43" sont respectivement plus profondes que les premières portions 42', 42" d'au moins 10% de la hauteur H du bloc anodique, et de préférence d'au moins 15% de la hauteur H du bloc anodique.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 9, le bloc anodique 13h comporte une rainure 2Oh de longueur Lr ne débouchant pas sur les côtés 21, 22 du bloc anodique 13h. La rainure 2Oh est en forme de hotte avec deux portions de cotés 44, 45 sensiblement horizontales prolongées au centre par un conduit 46 montant en se rétrécissant. Le conduit 46 débouche sur la face supérieure 24 du bloc anodique où sont évacués les gaz. Le conduit 46 se rétrécit progressivement de sorte qu'il joue le rôle de rainure pendant une durée prolongée. Par ailleurs, la position centrale du conduit contribue à diminuer le libre parcours moyen des bulles de gaz. La résistance physique d'un tel bloc anodique provient du fait que les côtés 21, 22 du bloc anodique 13h ne sont pas entaillés. Aussi, l'évacuation des gaz par la surface supérieure du bloc anodique améliore la stabilité globale du bain d'électrolyse.
Mis à part le mode de réalisation de la figure 9, le fond de chaque rainure possède une profondeur maximale au niveau des extrémités débouchant sur les côtés afin de permettre l'évacuation des gaz par effet gravitationnel. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le fond des rainures peut présenter une trajectoire arrondie vers le haut au niveau des extrémités débouchantes comme cela est illustré sur la figure 10 de manière à faciliter l'évacuation en continue des gaz.
Selon l'invention, les rainures ont une profondeur qui varie de façon non-linéaire selon la direction x, c'est-à-dire que la profondeur de la rainure ne varie pas de façon constante d'un bout à l'autre de la rainure. Le fond des rainures présente par exemple une variation d'inclinaison ou un décrochement.
D'une manière générale, selon l'invention, les rainures peuvent être divisées en au moins deux parties, une première partie comptant pour au moins 60% et de préférence 70% de la longueur Lr de la rainure ayant une profondeur inférieure à un seuil Z1, et une seconde partie comptant pour au moins 3%, de préférence pour plus de 5%, et encore de préférence pour plus de 10%, de la longueur Lr de la rainure, cette seconde partie ayant une profondeur supérieure à un seuil Z2 équivalent à Z1 + 10% de la hauteur H et de préférence équivalent à Z1 + 15% de la hauteur H. La première partie, peu profonde, sert de structure compacte au bloc anodique afin de lui conférer une résistance importante. La seconde partie est décalée verticalement par rapport à la première partie de manière à ce que lorsque le bloc anodique est consommé jusqu'au seuil Z1, une portion de rainure, au moins longue comme la seconde partie, subsiste et facilite l'évacuation des gaz. Cette seconde partie à une longueur restreinte de manière à ne pas affaiblir la structure du bloc anodique. Ces valeurs et pourcentages résultent de compromis permettant dans la pratique d'obtenir une efficacité prolongée de la rainure tout en conservant une résistance physique globale satisfaisante. Avantageusement, on limite les pertes de carbone de l'anode tout en conservant une anode solide et efficace.
Les blocs anodiques carbonés utilisés pour la fabrication d'aluminium comportent typiquement 1 à 4 rainures. Chaque rainure a de préférence une largeur constante Wr mais peut également présenter des variations de largeur le long de la direction x ou encore fonctions de la profondeur. Deux rainures peuvent en outre avoir des largeurs Wr différentes. Le profil en coupe transversale du fond de chaque rainure est de préférence horizontal mais peut également présenter une inclinaison ou courbure particulière.
Les rainures peuvent être réalisées soit lors du moulage des blocs crus, soit par sciage des blocs cuits.
Cette invention est particulièrement avantageuse pour le cas ou les rainures sont obtenues par moulage du fait que de tels blocs anodiques rainures sont plus sujet à dégradation pendant le démoulage, le stockage, le transport ou encore la cuisson. Des dépouilles verticales sont introduites dans les moules afin de conformer les rainures. Les blocs sont démoulés par poussée selon une unique direction de sorte que selon les modes de réalisation de l'invention, il peut être nécessaire de retirer les dépouilles avant démoulage ou de pousser le bloc anodique par la surface inférieure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Bloc anodique (13) en carbone pour utilisation dans une cellule d'électrolyse (1) ëe destinée à la production de métal, ledit bloc ayant une ée hauteur H entre une face supérieure (24) et une face inférieure (23) et comprenant sur la face inférieure (23) au moins une rainure (20) de profondeur p(x) et de longueur Lr, la rainure s 'étendant selon une direction x et ladite profondeur p(x) étant variable le long de ladite direction x, caractérisé en ce que ladite profondeur p(x) varie de façon non-linéaire le long de ladite direction x et en ce que ladite profondeur p(x) est inférieure à une première valeur Z1 sur au moins 60% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à une deuxième valeur Z2 au moins égale à Z1 + 10% de la hauteur H sur 3 à 40% de la longueur Lr de la rainure.
2. Bloc anodique selon la revendication 1, dans lequel ladite profondeur p(x) est inférieure à ladite première valeur Z1 sur au moins 70% de la longueur Lr de ladite rainure et est supérieure à ladite seconde valeur Z2 au moins égale à Z1 + 15% de la hauteur H sur 3 à 30% de la longueur Lr de la rainure.
3. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite rainure comprend au moins une extrémité débouchant sur un côté (21, 22) dudit bloc anodique et dans lequel la profondeur de la rainure est supérieure à ladite deuxième valeur Z2 au niveau de ladite extrémité débouchante.
4. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite rainure comprend deux extrémités débouchant chacune sur un côté dudit bloc anodique et dans lequel la profondeur de la rainure est supérieure à ladite seconde valeur Z2 au niveau de chacune des extrémités débouchantes.
5. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, dans lequel la profondeur de la rainure est maximale au niveau d'au moins une extrémité débouchante.
6. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la rainure comprend une première portion avec un fond plat ou incliné d'un angle inférieur à 10°.
7. Bloc anodique selon la revendication 6, dans lequel la rainure comprend en outre une portion d'extrémité avec un fond incliné de 20 à 80°.
8. Bloc anodique selon la revendication 6, dans lequel la rainure comprend en outre deux portions d'extrémités avec un fond incliné de 20 à 80°.
9. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la profondeur p(x) de la rainure varie substantiellement par palier le long de ladite direction x.
10. Bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la rainure a une profondeur maximale correspondant, à ± 10 cm près, à la une hauteur d'usure maximale des blocs anodiques du bloc anodique.
11. Anode comportant au moins un bloc anodique selon l'une quelconque des revendications précédentes.
12. Cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée comportant une pluralité d'anodes, caractérisée en ce qu'au moins une des anodes est une anode selon la revendication 11.
13. Cellule selon la revendication 12, dans laquelle les rainures débouchent dans un couloir où est introduit de l'alumine.
14. Procédé pour la fabrication d'aluminium comprenant les étapes consistant à :
- fournir au moins une anode selon la revendication iê JJ. ;
- installer l'anode dans une euve cellule d'électrolyse d'aluminium ;
- faire passer du courant dans la cuve cellule d'électrolyse à travers l'anode ;
- récupérer l'aluminium obtenu par électrolyse dans le fond de la cuve de la cellule d'électrolyse.
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