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WO2025238228A1 - Cellule d'électrolyse et procédé d'exploitation d'une cellule d'électrolyse - Google Patents

Cellule d'électrolyse et procédé d'exploitation d'une cellule d'électrolyse

Info

Publication number
WO2025238228A1
WO2025238228A1 PCT/EP2025/063584 EP2025063584W WO2025238228A1 WO 2025238228 A1 WO2025238228 A1 WO 2025238228A1 EP 2025063584 W EP2025063584 W EP 2025063584W WO 2025238228 A1 WO2025238228 A1 WO 2025238228A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrolysis cell
blocks
cell according
joint
block
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.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/063584
Other languages
English (en)
Inventor
Thibault Champion
Mangesh Ramesh AVHAD
Yves Boussant-Roux
Laurent Pierrot
Olivier Citti
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.)
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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 Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS filed Critical Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Publication of WO2025238228A1 publication Critical patent/WO2025238228A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • C25C3/085—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes characterised by its non electrically conducting heat insulating parts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/005—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells of cells for the electrolysis of melts

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis cell and a method for operating such an electrolysis cell.
  • Figure 1 illustrates, for example, an industrial aluminum metal production cell 8 using electrolysis of alumina in solution in a bath 10 based on molten cryolite.
  • the electrolyte bath 10 is conventionally contained in an electrolysis cell 12.
  • the cell 12 has a side wall 14 and a bottom 16.
  • the bottom 16 is composed of an assembly of refractory bottom blocks 17, or "bottom lining,” and cathode blocks 24 and, in its lower part, insulating blocks.
  • the side wall 14 is formed of an assembly of refractory side blocks 18, or "side lining" 19.
  • the "tank lining" consists of the side lining and the bottom lining.
  • the tank 12 still has a metallic casing 20, or "casing”, enveloping, at least partially, the tank lining.
  • a lateral refractory block 18 The dimensions of a lateral refractory block 18 are variable. They are classically greater than 75 x 300 x 300 mm 3 and can reach 120 x 600 x 1500 mm 3 .
  • the space between the first and second adjacent refractory blocks is called a "joint.” Joints can be filled with refractory cement. Alternatively, the blocks can be dry-fitted, that is, without the interposition of refractory cement. In this case, the adjacent blocks are preferably in contact, although a gap may still exist between them, depending on the dimensional accuracy of the blocks and the quality of the assembly.
  • first and second refractory blocks are lateral blocks or bottom blocks, respectively.
  • Cell 8 comprises, in addition to the tank 12, at least one anode 22 and at least one cathode 24.
  • the anodes 22 and cathodes 24 are arranged so as to be in contact with the molten metal bath, the cathode 24 being conventionally arranged near the bottom 16.
  • Figure 2 illustrates other examples of more recent generation electrolysis cells.
  • the side blocks 18 must provide protection for the metal casing 20. They are often exposed to corrosive environments (high-temperature liquid metal, molten cryolite in the lower part, corrosive gases in the upper part) and subjected to high temperatures and significant thermal and mechanical stresses.
  • the side blocks 18 are conventionally designed to allow sufficient heat dissipation to ensure temperature stabilization of the molten bath 10. In particular, it is necessary to avoid reaching temperatures beyond which the self-filling layer 26 of solidified cryolite would become liquid again and contribute to very rapid corrosion of the tank sides.
  • the tank's watertightness, and in particular that of the side wall 14, is necessary to prevent leaks of molten metal or electrolyte bath, especially in the absence of a self-sealing layer at the base of the side wall and/or when the side blocks are dry-mounted. Achieving this watertightness is all the more difficult because:
  • Deformation can result, in particular, from the expansion or contraction of the side blocks due to Joule heating, especially after the cell lining is assembled and the temperature is reached, or from metal oxide loading operations (due to the oxide temperature being lower than that of the cell itself or due to the increased electrical resistivity of the added charge).
  • a temperature variation can also occur during the removal of molten metal from the cell.
  • a change of anode or cathode can also lead to a substantial temperature variation.
  • Any change in the thermal balance of the cell can induce a dimensional variation of the blocks and/or a relative movement of the blocks, and therefore at least a partial opening of the joints between said blocks.
  • Cell deformation can also result from corrosion and infiltration of the tank contents into the tank lining.
  • the seal is further reinforced by the application of a carbon-based 25% epoxy resin, or "soldering paste,” to the base of the side panel.
  • solddering paste a carbon-based 25% epoxy resin
  • One object of the invention is to satisfy, at least partially, this need.
  • this goal is achieved by means of an electrolysis cell intended for the synthesis of a metal by reduction of an oxide of said molten metal, said electrolysis cell comprising
  • tank lining comprising a first refractory block and a second refractory block adjacent to the first block, the space between the first and second blocks being called "joint".
  • the electrolysis cell is remarkable in that it also comprises:
  • blower positioned to blow a jet of gas onto the seal.
  • the pusher prevents any widening of the joint between the first and second blocks; the blower maintains a surface temperature on this joint, particularly on the cold side of the lining, lower than the temperature of the molten material contained in the tank and in contact with the joint.
  • this molten material may be either molten metal or the electrolyte bath.
  • the first and second blocks are background blocks.
  • an electrolysis cell according to the invention further comprises one and preferably several of the following optional features:
  • the electrolysis cell includes an adjustment mechanism:
  • the pusher is interposed between an anchor and the first block and has a usable length, measured between the anchor and the first block,
  • the pusher includes an elastic element allowing a reversible variation, preferably elastically, of said useful length, the stiffness of the elastic element being preferably adjustable;
  • - hot faces of the first and second blocks extend in a common plane, at least locally around the joint, at least a part of the joint not extending perpendicularly to said plane, and being preferably inclined at an angle between 100° and 170° with respect to said plane, said angle being preferably between 120° and 150°;
  • the joint has a variation in slope, i.e. is not flat, and preferably has at least one break in slope, preferably extends along a plurality of flat sides;
  • the joint shows a variation in slope when following the direction of the thickness of the first and second blocks
  • the anchoring extends between the metal casing and the tank lining
  • the direction of the thrust is inclined with respect to a plane in which at least part of the joint between the first and second blocks extends, that is to say, it is not perpendicular to this plane;
  • At least one of the first and second blocks has, in a cross-section, preferably in any cross-section, a trapezoidal contour or one with a step, the contour preferably being the same regardless of the cross-section considered;
  • the tank lining consists of first and second layers
  • the first and second layers extend vertically, and therefore belong to the lateral coating
  • the blocks of the first and second layers are arranged in a staggered pattern, and preferably extend horizontally, thus belonging to the base coating;
  • the open porosity of said porous material is preferably greater than 60%, more preferably greater than 70%, or even greater than 80%;
  • the porous material is a foam, preferably a ceramic foam;
  • the pressure resulting from the thrust is preferably between 0.5 and 20 MPa, preferably at ambient temperature;
  • the electrolysis cell contains an aluminium oxide or an iron oxide
  • the electrolysis cell includes at least one inert anode and/or at least one aluminum-wettable cathode;
  • the anchoring is independent of the metal casing, that is to say that it does not exert any force on the metal casing, preferably because it is away from the metal casing, that is to say that it is not in contact with the metal casing;
  • the space between the tank lining and the anchoring is filled, at least partially, preferably completely, with a powder of a material having a thermal conductivity, measured at 500°C, of less than 5 W/m.K;
  • the anchorage is integrated into, or is rigidly fixed to, a frame encircling the side wall, the frame being preferably away from the external metal casing and/or the side wall, preferably away from the external metal casing and the side wall;
  • the pusher is arranged so as to push on the side wall directly or, preferably, via a plate covering said seal (30), the plate preferably having a thermal conductivity, measured at 500°C, greater than or equal to 5 W/m.K, preferably greater than
  • the invention also relates to a method of operating an electrolysis cell according to the invention, in which: a setpoint value is determined based on the operating conditions of the electrolysis cell, preferably based on a temperature and/or a deformation of the electrolysis cell, and then the cell is adjusted according to the setpoint value,
  • the infiltrated material solidifies within the seal, which can lead to shrinkage or swelling during this solidification process.
  • the tightening torque can be adjusted accordingly.
  • FIG. 1 schematically represents a cross-section, in a vertical transverse plane, of an electrolysis cell with carbon anode and cathode, typically for the production of aluminium;
  • FIG. 2 schematically represents a partial cross-section, in a vertical longitudinal plane, of examples (A) and (B) of an electrolysis cell with inert or "non-consumable" anodes and aluminum-wettable cathodes, differing in the design of the tank lining;
  • FIG. 3 represents, seen from above and partially, different side coverings
  • FIG. 4 schematically illustrates the implementation of a push button, with the side covering being observed from the side;
  • FIG. 5 schematically illustrates the implementation of another push button, with the side covering viewed from the side;
  • FIG. 6 schematically represents a partial longitudinal section of examples (A) and (B) of electrolysis cell according to the invention
  • FIG. 7 schematically illustrates, seen from above and partially, examples (A) and (B) of electrolysis cell according to the invention
  • FIG 8 schematically illustrates, seen from above and partially, a lateral coating of an electrolysis cell according to the invention equipped with a blower;
  • FIG 9 schematically illustrates, viewed from above and partially, a side panel of an electrolysis cell according to the invention equipped with a blower intended to ventilate the joints of this side panel;
  • FIG 10 schematically represents a longitudinal section, along the section plane A-A, ( Figure 10(A)) and a top view, along the section plane B-B, ( Figure 10(B)) of an electrolysis cell according to the invention.
  • a refractory material is a material with a melting point above 1500°C. This definition is commonly used by those skilled in the art and is cited in "Refractory Materials and Technical Ceramics (Elements of Ceramics and Technology)", G. Aliprandi, Septima Paris, 1979. This work also gives, on pages 297 to 301, examples of refractory materials, including oxides, carbides and nitrides.
  • thermal conductivity classically refers to a material (or, by extension, an object made of a material) having a thermal conductivity, measured at 500°C, of less than 5 W/m.K, preferably less than or equal to 3 W/m.K, preferably less than or equal to 2 W/m.K.
  • Thermal conductivity can be determined by the hot wire method (ISO 8894-1).
  • a "thermally conductive" material is a material (or, by extension, an object made of a material) that is not thermally insulating.
  • Total porosity is typically calculated as 100 x (absolute density - apparent density) / absolute density. Apparent density measurements are performed according to ISO 5017 on a bar of material taken from the core of the part. Absolute density is typically measured on ground powder using a helium pycnometer.
  • Open porosity is measured according to ISO5017.
  • Ceramic Matrix Composite is classically defined as a product composed of fibers bonded together by a ceramic matrix.
  • the fibers will be chosen according to the environment in which the ceramic matrix composite will be placed, particularly based on temperature, corrosion, thermal cycling, expansion, and the nature of the refractory material to be lined.
  • a cermet is a composite material consisting of a ceramic reinforcement and a metallic matrix.
  • a "plate” is a piece whose thickness, substantially constant (variation of less than 10% around the average thickness), is less than three times, preferably less than 5 times, preferably less than 10 times the width.
  • an electrolysis cell As described in the preamble, an electrolysis cell according to the invention comprises a base 16 and a side wall 14.
  • the base comprises a monolithic product arranged in one or more layers. This improves watertightness.
  • the monolithic product is refractory concrete or rammed earth, preferably carbon-free.
  • the bottom of the tank comprises an assembly of refractory bottom blocks, or "bottom lining", in particular an assembly of slabs, preferably of a refractory material, preferably selected from an electrofused material, a carbon material, a TitL material, a SiC material and/or Silicon nitride material.
  • the foundation blocks are adjacent to each other and separated by joints. The joints, called “foundation joints,” between the refractory foundation blocks may or may not be filled with refractory cement.
  • the side wall comprises a side cladding 19 and a metal casing 20, which encircles the side cladding.
  • the metal casing can be any metal casing from the prior art.
  • the side paneling defines:
  • the thickness ei9 of the side cladding, measured between the hot face 19c and cold face 19f, is greater than 50 mm, preferably greater than 100 mm, preferably greater than 150 mm and/or is less than 400 mm, preferably less than 300 mm, preferably less than 200 mm.
  • the height of the side cladding is preferably greater than 0.5 m, preferably greater than 1.0 m, and/or is less than 2.0 m.
  • the lateral lining 19 comprises an assembly of refractory lateral blocks 18, in the form of one or more layers (referenced Cl and C2 in Figure 3(D)).
  • lateral joints between the refractory lateral blocks are filled or not with refractory cement.
  • the surface of a lateral block 18 comprises:
  • joint face 18j we distinguish between the lateral faces which define a joint, or "joint face” 18j, and the other lateral faces, called “exposed faces”.
  • a side face is oriented towards the inside or outside of the tank, it can be described as the "hot side” or the “cold side”, respectively.
  • face 18c is a hot face of the lateral block 182. It is an exposed face.
  • Face 18f is a cold face of the block 182. It is a joint face 18j.
  • a block may not have a hot face, like block I82 in Figure 7(A).
  • This block 182 has two joint faces which delimit joints 3012 and 3O23 respectively, and two exposed faces, which are cold faces.
  • the block 182 of figure 7(B) has two joint faces which respectively delimit the joints 3012 and 3O23, and four exposed faces, three of the exposed faces being cold faces, one of the exposed faces being a hot face.
  • a hot face 18c may be in contact with the environment inside the tank, like the hot face of block 182 in Figure 4 (it then partially defines the hot face 19c of the side cladding), or not, like the hot face of block 181 in Figure 4, which is a sealing face.
  • a cold face can face the metal casing 20 (it is then an exposed face) or an adjacent block so as to delimit a joint (it is then a joint face).
  • the hot face and/or the cold face can be a joint face.
  • the cold face of block 182 is a joint face.
  • the side cladding comprises an assembly of side blocks, in particular an assembly of slabs, preferably of a refractory material, preferably selected from an electrofused material, a carbon material, a TiB2 material, a SiC material and/or Silicon nitride material.
  • Figure 3 illustrates different assemblies of lateral blocks 18.
  • the side cladding comprises a single layer of side blocks.
  • the side blocks 18 are profiled, meaning that the contour of their cross-section, i.e., in a horizontal plane, is the same regardless of the height at which the block is sectioned.
  • the contours of the two blocks on the left of the figure are trapezoidal.
  • the joint faces of the side blocks 181 and 182 are shaped so that the joint 30 between these blocks is substantially flat and inclined at an angle ⁇ greater than 100°, preferably greater than 120°, preferably greater than 130°, with respect to the plane P along which the hot face of blocks 181 and 182 extends. This inclination advantageously reduces the risk of infiltration and also improves the efficiency of the pusher.
  • the lateral cladding has joints 30 which, following the direction of the lateral cladding thickness, have a step 32.
  • a single joint may have a plurality of steps.
  • the direction of the block thickness is considered to be that of the lateral cladding. It is preferably between 5 and 300 mm.
  • a joint that does not extend solely along the thickness of the lateral coating is more difficult for a liquid to penetrate. Any variation in the slope of a joint thus limits the risk of leakage.
  • at least one joint, or even every joint has a variation in slope along the thickness of the lateral coating; that is, it is not flat, and The preference presents at least one break in slope, that is to say, an edge. It can, for example, extend along a plurality of flat faces.
  • the adjacent blocks have joint faces in the form of a groove and bead.
  • Block 18i has, on its left side, two adjacent blocks 182 and 183, and therefore two seals 3012 and 30B, which are arranged in succession.
  • Block 182 when a push button is pressed, closes off access to the electrolyte bath or molten metal that might begin to seep into seal 30B.
  • the side cladding has "bayonet" joints which have a step 32.
  • a break in slope preferably leads to a break in slope of more than 45°, preferably more than 60°, preferably more than 80°, preferably approximately 90°.
  • the side lining comprises several layers, and in particular a "hot” layer C1 on the inner side of the tank, preferably in contact with the electrolyte bath and/or the molten metal, and a "cold” layer C2, preferably thermally insulating, covering at least partially the first layer.
  • the blocks of the thermally insulating layer preferably have sufficient mechanical strength so as not to be crushed under the effect of a pusher.
  • Each layer is formed of one or more rows of superimposed refractory blocks and/or a succession of adjacent refractory blocks, each extending over the entire height of the lateral lining.
  • At least some of the joints between the hot layer blocks open to the outside of the tank or to the metal casing; in particular, they do not open to the cold layer.
  • all or part of the joints between the hot layer blocks are exposed on the cold side, that is, visible from outside the tank or from the metal casing.
  • this exposure of the hot layer joints facilitates cooling ventilation by means of the blower.
  • the lateral cladding comprises two layers, Cl and C2, with layer Cl defining the hot face 19c.
  • An additional layer C3 of thermally conductive ceramic plates for example comprising silicon carbide and/or boron and/or titanium diboride, at least partially covers, on the cold face of layer C2, the joints between said blocks.
  • this configuration facilitates local cooling by ventilation using the blower.
  • the blocks of the first and second layers are arranged in a staggered pattern.
  • no joint can thus penetrate the lateral cladding along its thickness in a straight line.
  • a lateral block can have various shapes. It is preferably parallelepiped-shaped.
  • the outline of the lateral block may be trapezoidal.
  • the lateral block may also have a joint face and/or a hot face and/or a cold face that is flat, concave or convex, including conical, cylindrical or angle-shaped.
  • the lateral block has a non-horizontal upper face and a slope to facilitate the progressive supply of metal oxide to the lateral part of the tank in order to locally saturate the electrolytic bath with metal oxide and reduce, where appropriate, the corrosive action of the electrolyte bath.
  • the side block is a corner block.
  • the side block may have a cold face and/or a hot face defining an edge with a wide chamfer, as illustrated in Figure 7(B). This configuration advantageously allows pressure to be applied to two differently oriented seals with a single pusher.
  • the cumulative surface area of the cold face(s) and/or the hot face(s) is preferably between 500 and 20,000 cm2 .
  • a lateral block preferably a block in contact with the interior of the vessel, i.e., belonging to a hot layer
  • each lateral block is made of a refractory material comprising, preferably, one or more oxides.
  • the oxide(s) is/are preferably chosen from Al2O3, MgO, CaO, Z1O2 and SiCl2.
  • a cold layer block may also comprise a thermally insulating material and/or a thermally conductive material.
  • the conductive material is preferably selected from a carbide and/or a nitride and/or a boride, preferably from SiC, SLN4, B4C, TiB2, Z ⁇ 2, and TiC.
  • the thermally insulating material is selected from porous alumina materials, preferably in the form of a foam whose open porosity allows the gas intended to cool the joint to circulate with reduced thermal shock to the hot layer blocks.
  • the thermally insulating material is a ceramic matrix composite with an open porosity greater than 5% by volume, preferably a composite with mineral fibers.
  • the total porosity of a lateral block, in particular of a block of a hot layer is preferably less than 40%, more preferably less than 20%, or even less than 10%, or even less than 5% and even less than 1%.
  • the total porosity of a side block of a cold layer is preferably greater than 60%, more preferably greater than 70%, or even greater than 80%.
  • the side block is made of a ceramic material, preferably a porous ceramic foam.
  • the total porosity of a lateral block of a hot layer is preferably less than 40%, more preferably less than 20%, or even less than 10%, or even less than 5% and even less than 1%.
  • a joint is the space between two blocks placed side by side, adjacent to each other. It therefore extends between two joint faces of the two blocks.
  • the two blocks may belong to the same layer or to two different layers.
  • the width of a joint, between these two joint faces, preferably of any joint, may be variable or constant. It is preferably substantially constant.
  • the maximum width of a joint, preferably of any joint, is typically less than 5 mm, less than 3 mm, less than 1 mm, or less than 0.5 mm.
  • a joint is filled with a refractory cement, preferably a cement that is not wettable by the molten metal and/or the electrolyte bath.
  • the smallest width of the joint can be zero, the blocks then being in contact, possibly leaving gaps, or not zero.
  • the side lining comprises a first layer of refractory side blocks in contact with the electrolyte bath, and all or part of the joints between said blocks are covered, on the cold side of the side lining, with a thermally conductive plate 37.
  • a blower 60 blows a jet of gas onto said plate.
  • the plate is optionally fixed to the blocks of the first layer with cement.
  • the plate covering the joint is preferably made of a matrix composite material (MCM), for example, a composite comprising a conductive material is preferably selected from a carbide and/or a nitride and/or a boride, preferably from SiC, SiInr, B4C, TiBi, ZrBi, and TiC.
  • Pushers 40 can be implemented to limit the risk of leakage through the seals.
  • a pusher is a device designed to push two blocks against each other.
  • the two blocks may be in contact with each other and/or separated by a cement joint.
  • the pusher bears against a cold face 18f of a refractory block and on an anchorage 42, for example on a pillar, as illustrated for example by figures 4 and 5. In the service position, it is compressed between the cold face 18f and the anchorage 42. The seal is thus closed under pressure.
  • the pressure resulting from the thrust is preferably between 0.5 and 20 MPa, preferably between 1 and 10 MPa, preferably measured at an ambient temperature of 20°C.
  • the contact surface by which a pusher bears on the cold face is preferably between 25 and 2500 cm2 and/or preferably represents between 5 and 30% of the surface of said cold face of said block including said contact surface.
  • the electrolysis cell includes a mechanism for adjusting the intensity of the thrust exerted by the pusher.
  • the intensity of the thrust is adjusted according to the temperature of the cell or certain known and predeterminable events, such as a change or anode effect, pumping of the molten metal, or removal of the metal from the cell by gravity.
  • a sensor measures thermal variations, or an effect of these variations, for example the deformation of the metal casing 20 and/or the bottom of the tank, and the intensity of the thrust is adjusted according to said measurement, preferably so as to maintain a substantially constant thrust over time and/or so as to keep the seals closed.
  • the thrust can be exerted on the block in any direction.
  • the direction of the thrust is preferably horizontal, that is to say parallel to the bottom of the electrolysis cell.
  • the direction of the thrust is preferably perpendicular to the cold face 18f of the block on which the pusher pushes.
  • the anchor forms a fixed support point relative to the structure or the ground S on which the cell rests.
  • the anchor is rigidly fixed to the ground S extending around the cell.
  • the anchor is made of concrete or a substantially rigid part of the cell, for example, the edge of a cathode.
  • the anchor 42 is arranged between said cold face 18f and the metal casing.
  • the metal casing includes a hatch 43 allowing access to the pusher.
  • the cell includes a frame 39 preferably encircling the side wall 14, carrying one or more, preferably all of the anchorages 42.
  • the frame 39 preferably extends between the outer metal casing 20 and the side wall 14. Preferably, however, it is separated from the outer metal casing 20 and/or the side wall 14, preferably by a distance of more than 1 cm, preferably by more than 5 cm.
  • the frame 39 preferably comprises posts 39v, preferably vertical, and crossbeams 39h, preferably substantially horizontal.
  • the posts 39v are supported, preferably fixed, on the base 16.
  • the crossbeams are fixed to the posts.
  • the crossbeams preferably form one or more horizontal bands.
  • the frame has a lower band, resting on the base, and an upper band.
  • An anchorage 42 can be a post 39v or a cross member 39h, or, as in figure 10, a bearing piece, preferably fixed to the frame 39.
  • each anchor 42 is/are made of a metallic material or a ceramic material or a cermet.
  • the pushers 40 bear against the side wall 14 by means of plates 37, preferably ceramic plates, preferably thermally conductive, for example comprising, or even made of silicon carbide and/or boron and/or titanium diboride.
  • each plate 37 covers at least partially, on the cold side, the joints 30 between the blocks of the side wall.
  • the width of the crossbeams or posts of the frame is greater than 20%, preferably greater than 30%, preferably greater than 40%, or even greater than 50% of the thickness of the 18 blocks of the refractory lining.
  • the anchorage 42 is located outside the metal casing 20, which is locally interrupted to allow passage of the pusher.
  • the pusher can be configured in short and long positions, where the effective length L of the pusher is less than and greater than the distance between the cold face and the anchor, respectively. It can thus be positioned between the cold face and the anchor in the short configuration, and then extended towards the long configuration. It then comes to rest against both the cold face and the stationary anchor, and the continued extension process results in the thrust.
  • the length L is said to be “useful” because it is this length which will determine the intensity of the thrust, symbolized by the white arrow in the figures, in particular in figures 4 and 5.
  • the pusher 40 includes a rod 44 with axis X extending between the cold face and the anchorage, preferably substantially perpendicular to the cold face, and whose position, along the axis X, is modifiable in order to exert said push and preferably to regulate its intensity.
  • the rod can be supported on the anchor or the plate by means of a pivot or a ball joint 46, which improves the support on the anchor or the cold face, respectively.
  • the pusher includes a locking element 45 adapted to lock the rod 44 in position.
  • the pusher 40 also includes a plate 47 bearing against the cold face so as to distribute the thrust onto the cold face.
  • the plate 47 may, for example, be in the shape of a plate or a disc.
  • the pusher 40 maintains the usable length to which it has been set.
  • the pusher then acts as a conventional prop. All mechanisms used for props are possible.
  • the pusher referred to as "static,” thus fixes the distance between the anchor and the block on which it rests, and in particular prevents the joint from widening. It is advantageously simple to implement.
  • Figure 4 illustrates an embodiment of a static pusher in which the pusher comprises a threaded rod 44 screwed onto a thread formed in the anchor 42 or in a nut of the anchor, the degree of tightening determining the effective length L of the pusher.
  • the threaded rod and the thread together constitute a mechanism for adjusting the effective length of the pusher, and therefore the intensity of the thrust.
  • the pusher also includes a handle, preferably in the form of a handwheel 49, which an operator can turn to screw the threaded rod 44.
  • the locking member 45 may include a locking collar, or a lock nut, to lock the threaded rod 44 in order to prevent unintended unscrewing.
  • the pusher includes a cylinder, preferably pneumatic, pushing the rod 44 towards the cold face and a lock to immobilize the cylinder rod.
  • the pusher includes an elastic element 48, for example a spring or a pneumatic or hydraulic cylinder, tending to increase the length of the pusher towards the long configuration. After interposition of the pusher between the cold face and the anchor, in the short configuration, the elastic element thus contributes to the abutment and then to the application of the thrust.
  • an elastic element 48 for example a spring or a pneumatic or hydraulic cylinder
  • the stiffness of the elastic element is adjustable. All known methods of stiffness adjustment are usable. In particular, it is common practice to modify the stiffness of a spring by changing its rest length. The thrust can thus be adjusted to suit the cell configuration.
  • the plunger thus elastically resists any expansion of the seal. Furthermore, the elasticity allows the plunger to remain active even if the seal contracts.
  • Such an “elastic” pusher therefore makes it possible in particular to accommodate a dimensional variation of the lateral blocks and to avoid the opening or closing of the joint between the blocks.
  • Figure 5 illustrates an example of an elastic pusher.
  • the elastic element is a Belleville washer on which a rod 44 rests.
  • the stiffness can be adjusted, for example by changing the effective length of the rod 44.
  • the rod 44 can be, for example, a threaded rod, as described previously, the Belleville washer being interposed between the end of the rod and the cold face, for example in place of the plate 47 or between said end and the plate 47.
  • the pusher also includes a first plate 47 bearing on the cold face and/or a second plate 47’ bearing on the anchor.
  • the pusher is made of a material resistant to the temperature of its operating environment, and in particular to the temperature of the cold face on which it rests. This temperature depends notably on the refractory material of the block that defines the cold face and on the temperature of the cell.
  • the material of a push button is preferably chosen from metallic alloys.
  • a push button preferably each push button, preferably includes, at its end in contact with the cold face of the block, an interface material.
  • the interface material is thermally insulating, that is to say, having a thermal conductivity of less than 5 W/mK at 600°C.
  • a pusher can bear on one or more blocks, for example by means of a plate 47 or a support plate 50, preferably thermally insulated to avoid heating of the pusher, as illustrated in Figure 3(D) or Figure 3(F).
  • the direction of the thrust is perpendicular to at least one joint 30, as in the embodiments of Figures 4, 5 and 7(A), or to at least part of at least one joint, as in the embodiment of Figures 3(B) or 3(C).
  • the direction of the thrust can alternatively be oblique with respect to at least one joint 30 which the thrust tends to close, as in the embodiments of Figure 7(B), in which the thrust compresses both joint 3012 and joint 3023, or of Figure 3(A).
  • no joint is parallel to the direction of at least one thrust exerted by a pusher. In other words, all joints are subjected to the effect of at least one thrust.
  • An inclination of the joints is particularly advantageous to take into account the space constraints for positioning the pushers.
  • the space 51 (see Figure 10) between the side cladding and the anchor 42 is filled with a material in the form of a divided solid, in particular a powder, preferably a thermally insulating material, preferably in the form of alumina particles, preferably globular alumina.
  • the space 51 can advantageously be freed by removing said layer, for example by suction, in order to access the cold face of the side cladding and/or the plates 37, for example for maintenance or dismantling operations of the electrolysis cell.
  • the cell includes a blower 60 arranged to blow a jet of gas G towards a seal 30.
  • the gas is preferably air, preferably dry.
  • the temperature of the blown gas is at least 20%, and preferably at least 30%, higher than the temperature below which the refractory block material may exhibit thermal shock cracking.
  • the gas can be heated, for example, in a heat exchanger.
  • the electrolysis cell preferably includes a mechanism for adjusting the flow rate of the cooling gas and/or its temperature in order to adapt the gas jet to the desired cooling. All known flow or temperature control mechanisms can be considered.
  • the control mechanism could, for example, include a valve with an adjustable opening angle and/or a heat exchanger.
  • the flow rate is also determined so as not to disturb the aspiration of gases emitted by the electrolysis bath (fluorinated gases in particular) or by the electrolysis process itself (release of oxidizing gas at the anode).
  • the blower generates a gas flow specifically directed towards the joint 30.
  • the blowing is not a blowing over the entire cold face 19f of the side cladding, but a blowing limited to one or more joints 30.
  • the blower can be equipped with a gas jet guide 62, for example in the form of a deflector or a bell.
  • the guide preferably has a shape that allows it to follow one or more seals 30.
  • the guide can have the shape of a gas distribution network, for example a network of channels or tubing or a perforated ramp, the network being adapted to distribute the air to the different seals, preferably according to the cooling requirements, as illustrated in Figure 9.
  • the blower is preferably integrated into the cell.
  • the distribution network is preferably rigidly fixed to other parts of the cell, for example to the tank casing 20.
  • the blower is removable. It can therefore be advantageously used for different electrolysis cells.
  • the invention makes it possible to improve the sealing of the tank, and in particular of the side wall, even when the viscosity of the liquid in contact with the seals is low and the temperature of the electrolyte bath is high and varies.
  • first and second side blocks are applicable to first and second base blocks. Both blocks can therefore be blocks belonging to the side cladding or the base cladding.

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Abstract

L'invention concerne une cellule d'électrolyse comportant un souffleur (60) disposé de manière à souffler un jet de gaz dans un joint s'étendant entre lesdits premier et deuxième blocs.

Description

Description
Titre : Cellule d’électrolyse et procédé d’exploitation d’une cellule d’électrolyse
Domaine technique
L’invention concerne une cellule d’électrolyse et un procédé d’exploitation d’une telle cellule d’électrolyse.
Etat de la technique
La production de métaux par électrolyse, en particulier d’aluminium, est connue depuis le début du 20eme siècle. Des procédés et des outils de production ont notamment été décrits dans W00065130A, W02009082642, WO2017165838A1 ou EP3875635A1, W02018009862A1, US8764962B2, WO2019/027978A1 ou US20200263313A1.
La figure 1 illustre par exemple une cellule 8 de production industrielle d’ aluminium métal par électrolyse d’alumine en solution dans un bain 10 à base de cryolithe en fusion. Le bain d’électrolyte 10 est classiquement contenu dans une cuve d’électrolyse 12. La cuve 12 comporte une paroi latérale 14 et un fond 16. Le fond 16 est composé d’un assemblage de blocs de fond 17 réfractaires, ou « revêtement de fond », et de blocs cathodiques 24 et, en partie basse, de blocs isolants. La paroi latérale 14 est formée d’un assemblage de blocs latéraux 18 réfractaires, ou « revêtement latéral » 19.
Le « revêtement de cuve » est constitué du revêtement latéral et du revêtement de fond.
La cuve 12 comporte encore une enveloppe métallique 20, ou « casing », enveloppant, au moins partiellement le revêtement de cuve.
Les dimensions d’un bloc réfractaire latéral 18 sont variables. Elles sont classiquement supérieures à 75 x 300 x 300 mm3 et peuvent atteindre 120 x 600 x 1500 mm3.
On appelle « joint » l’espace entre des premier et deuxième blocs réfractaires adjacents. Les joints peuvent être remplis avec un ciment réfractaire 21. Alternativement, les blocs peuvent être montés à sec, c'est-à- dire sans interposition de ciment réfractaire. Les blocs adjacents sont alors, de préférence, en contact, un espace libre pouvant cependant persister entre les blocs, en fonction de la précision dimensionnelle desdits blocs et de la qualité du montage.
On distingue un « joint latéral » et un « joint de fond » selon que les premier et deuxième blocs réfractaires sont des blocs latéraux ou des blocs de fond, respectivement.
La cellule 8 comporte, outre la cuve 12, au moins une anode 22 et au moins une cathode 24. Les anodes 22 et cathodes 24 sont disposées de manière à être en contact avec le bain de métal en fusion, la cathode 24 étant classiquement disposée à proximité du fond 16.
La figure 2 illustre d’autres exemples de cellules d’électrolyse de génération plus récente.
Sous l’effet de la mise sous tension électrique des électrodes 22 et 24, une réaction d’électrolyse se produit dans le bain 10. Il en résulte la formation d’un bain d’aluminium dans la cuve se déposant sur la cathode. Le passage du courant électrique, de forte intensité, au travers du bain 10 produit également par effet Joule un dégagement de chaleur. L’évacuation de cette chaleur à travers la paroi 14 de la cuve 12 entraîne le dépôt d’une couche 26 de cryolithe solidifiée sur la surface intérieure 27 des blocs latéraux 18. Cette couche est appelée « autogarnissage ».
Les blocs latéraux 18 doivent assurer la protection de l’enveloppe métallique 20. Ils sont souvent exposés à des environnements corrosifs (métal liquide à haute température, cryolithe en fusion en partie inférieure, gaz corrosifs en partie supérieure) et soumis à de hautes températures et des contraintes thermiques et mécaniques importantes.
Par ailleurs, les blocs latéraux 18 sont classiquement conçus pour permettre une évacuation suffisante de la chaleur pour assurer la stabilisation en température du bain en fusion 10. En particulier, il faut éviter d’atteindre des températures au-delà desquelles la couche d’autogarnissage 26 de cryolithe solidifiée redeviendrait liquide et contribuerait à une corrosion très rapide des côtés de cuve.
L’étanchéité de la cuve, et en particulier de la paroi latérale 14, est nécessaire pour éviter des fuites de métal en fusion ou de bain d’électrolyte, en particulier en l’absence de couche d’autogarnissage au pied de la paroi latérale et/ou lorsque les blocs latéraux sont montés à sec. Cette étanchéité est d’autant plus difficile à obtenir que :
- l’épaisseur de la paroi latérale est faible,
- la viscosité du métal en fusion est faible, et
- la température du bain d’électrolyte est élevée.
Notamment, la déformation de la cuve en service augmente le risque de fuite par élargissement des joints.
La déformation peut en particulier résulter de la dilatation ou de la rétractation des blocs latéraux par effet Joule, notamment après assemblage du revêtement de cuve et montée en température, ou d’opérations de chargement en oxyde de métal (du fait d’une température de cet oxyde inférieure à celle de la cellule elle- même ou du fait de l’augmentation de la résistivité électrique de la charge ajoutée). Une variation de température peut aussi se produire lors de l’évacuation de métal en fusion hors de la cellule. Un changement d’ anode ou de cathode peut également conduire à une variation substantielle de température.
Toute modification de l’équilibre thermique de la cellule peut induire une variation dimensionnelle des blocs et/ou un mouvement relatif des blocs, et donc une ouverture au moins partielle des joints entre lesdits blocs.
Une déformation de la cellule peut également résulter de la corrosion et de l’infiltration du contenu de la cuve dans le revêtement de cuve.
Pour rendre le fond de la cuve étanche, il est connu de disposer un produit non-façonné réfractaire sous les blocs de fond. Cette solution n’est cependant pas envisageable en pratique pour rendre étanche le revêtement latéral. Elle empêcherait en effet tout accès à l’intérieur de la cuve par la paroi latérale sans un démontage fastidieux. Par ailleurs, la résistance mécanique du produit monolithique obtenu est plus faible que celle d’un assemblage de blocs de fond.
Dans les cellules d’électrolyse traditionnelles, l’étanchéité est également renforcée par l’application d’un pisé 25 carboné, ou « pâte de brasquage », au pied du revêtement latéral. L’étanchéité peut cependant se dégrader lorsque la cellule d’électrolyse vieillit.
Il existe donc un besoin permanent pour une cellule d’électrolyse :
- permettant de réduire le risque de fuite de métal et/ou d’électrolyte en fusion ;
- simple et rapide à mettre en œuvre ;
- résistante à l’oxydation et à la corrosion par le bain d’électrolyte et éventuellement ses vapeurs ;
- sensiblement sans impact sur la stabilité thermique de la cuve, voire ayant un impact positif sur la stabilité thermique ;
- limitant le risque de contamination du bain métallique ;
- autorisant un accès facile à l’intérieur de la cuve par la paroi latérale, en particulier pour les réparations et/ou pour remplacer tout ou partie du revêtement de cuve.
Un objet de l’invention est de satisfaire, au moins partiellement, ce besoin.
Résumé de l’invention
Selon l’invention, on atteint ce but au moyen d’une cellule d’électrolyse destinée à la synthèse d’un métal par réduction d’un oxyde dudit métal en fusion, ladite cellule d’électrolyse comportant
- un assemblage de blocs réfractaires, ou « revêtement de cuve », définissant une paroi latérale et un fond, et
- une enveloppe métallique externe enveloppant au moins partiellement ledit revêtement de cuve, ledit revêtement de cuve comportant un premier bloc réfractaire et un deuxième bloc réfractaire adjacent au premier bloc, l’espace entre les premier et deuxième blocs étant appelé « joint ».
Selon l’invention, la cellule d’électrolyse est remarquable en ce qu’elle comporte en outre :
- un poussoir exerçant une poussée du premier bloc contre le deuxième bloc ; et/ou
- un souffleur disposé de manière à souffler un jet de gaz sur le joint.
Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, ces moyens, simples à mettre en œuvre, permettent de répondre au besoin de manière efficace et à un coût réduit : le poussoir s’oppose à tout élargissement du joint entre les premier et deuxième blocs ; le souffleur permet de maintenir à la surface de ce joint, en particulier du côté de la face froide du revêtement, une température inférieure à la température de la matière en fusion contenue dans la cuve et en contact avec ledit joint. La matière en fusion peut être en particulier, selon l’emplacement du joint, du métal en fusion ou du bain d’électrolyte.
Dans un mode de réalisation, les premier et deuxième blocs sont des blocs de fond.
Dans un mode de réalisation préféré, les premier et deuxième blocs sont des blocs latéraux. De préférence, une cellule d’électrolyse selon l’invention comporte encore une et de préférence plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes :
- la cellule d’électrolyse comporte un mécanisme de réglage :
- de l’intensité de ladite poussée ; et/ou
- du débit et/ou de la température du jet de gaz ;
- le poussoir est interposé entre un ancrage et le premier bloc et présente une longueur utile, mesurée entre l’ ancrage et le premier bloc,
- réglable de manière à être fixée à une valeur de consigne, ou
- variable élastiquement ;
- le poussoir comporte un organe élastique autorisant une variation réversible, de préférence élastiquement, de ladite longueur utile, la raideur de l’organe élastique étant de préférence réglable ;
- des faces chaudes des premier et deuxième blocs s’étendent dans un plan commun, au moins localement autour du joint, au moins une partie du joint ne s’étendant pas perpendiculairement au dit plan, et étant de préférence inclinée d’un angle compris entre 100° et 170° par rapport au dit plan, ledit angle étant de préférence compris entre 120° et 150° ;
- le joint présente une variation de pente, c'est-à-dire n’est pas plan, et de préférence présente au moins une rupture de pente, de préférence s’étend selon une pluralité de pans plans ;
- le joint présente une variation de pente lorsqu’on suit la direction de l’épaisseur des premier et deuxième blocs ;
- l’ancrage s’étend entre l’enveloppe métallique et le revêtement de cuve ;
- la direction de la poussée est horizontale ;
- la direction de la poussée est inclinée par rapport à un plan dans lequel s’étend au moins une partie du joint entre les premier et deuxième blocs, c'est-à-dire n’est pas perpendiculaire à ce plan ;
- au moins un des premier et deuxième blocs présente, dans une section transversale, de préférence dans une section transversale quelconque, un contour trapézoïdal ou présentant un décrochement, le contour étant de préférence le même quelle que soit la section transversale considérée ;
-le décrochement produit une rupture de pente de plus de 60° ;
- le revêtement de cuve comporte des première et deuxième couches ;
- le joint s’étend entre lesdites première et deuxième couches ;
- les première et deuxième couches s’étendent verticalement, et appartiennent donc au revêtement latéral ;
- les blocs des première et deuxième couches sont disposés en quinconce, et, de préférence s’étendent horizontalement, appartenant donc au revêtement de fond ;
- un ou plusieurs, de préférence tous les joints de la couche qui s’étend du côté de l’intérieur de la cuve, c'est-à-dire de la couche « chaude », est/sont, en face froide, recouvert(s) par un matériau poreux ou découvert(s) afin de faciliter le soufflage dudit gaz ;
- la porosité ouverte dudit matériau poreux est de préférence supérieure à 60%, de manière plus préférée supérieure à 70%, voire supérieure à 80% ;
- de préférence, le matériau poreux est une mousse, de préférence une mousse céramique ; - la pression résultant de la poussée est comprise de préférence entre 0,5 et 20 MPa, de préférence à la température ambiante ;
- la cellule d’électrolyse contient un oxyde d’aluminium ou un oxyde de fer ;
- la cellule d’électrolyse comporte au moins une anode inerte et/ou au moins une cathode mouillable par l’aluminium ;
- l’ancrage est indépendant de l’enveloppe métallique, c'est-à-dire qu’il n’exerce pas de force sur l’enveloppe métallique, de préférence parce qu’il est écarté de l’enveloppe métallique, c'est-à-dire qu’il n’est pas en contact avec l’enveloppe métallique ;
- l’espace entre le revêtement de cuve et l’ancrage est rempli, au moins partiellement, de préférence complètement, d’une poudre en un matériau présentant une conductivité thermique, mesurée à 500°C, inférieure à 5 W/m.K ;
- l’ancrage est intégré dans, ou est rigidement fixé sur, un cadre ceinturant la paroi latérale, le cadre étant de préférence écarté de l’enveloppe métallique externe et/ou de la paroi latérale, de préférence écarté de l’enveloppe métallique externe et de la paroi latérale ;
- le poussoir est disposé de manière à pousser sur la paroi latérale directement ou, de préférence, par l’intermédiaire d’une plaque recouvrant ledit joint (30), la plaque présentant de préférence une conductivité thermique, mesurée à 500°C, supérieure ou égale à 5 W/m.K, de préférence supérieure à
10 W/m.K, de préférence supérieure à 13 W/m.K, de préférence supérieure à 15 W/m.K, voire même supérieure à 20 W/m.K.
L’invention concerne également un procédé d’exploitation d’une cellule d’électrolyse selon l’invention, dans lequel : on détermine une valeur de consigne en fonction des conditions de fonctionnement de la cellule d’électrolyse, de préférence en fonction d’une température et/ou d’une déformation de la cellule d’électrolyse, puis on règle, suivant la valeur de consigne,
- l’intensité de ladite poussée et/ou
- le débit et/ou la température du jet de gaz.
11 est ainsi avantageusement possible d’adapter ladite poussée et/ou ledit jet de gaz aux dites conditions de fonctionnement afin de limiter la largeur du joint et/ou de solidifier un liquide infiltré dans le joint, respectivement.
En particulier en cas d'infiltration d’un joint par le bain d'électrolyte et/ou le métal en fusion, la matière infiltrée se solidifie dans le joint, ce qui peut conduire à un retrait ou à un gonflement lors de la solidification dans ledit joint. Le serrage peut être adapté en conséquence.
Brève description des figures
D’aubes caractéristiques et avantages de l’invention apparaihont encore à l’examen de la description qui va suivre et au regard du dessin annexé dans lequel : - la figure 1 [Fig 1] représente schématiquement une coupe, dans un plan transversal vertical, d’une cellule d’électrolyse avec anode et cathode en carbone, typiquement pour la production d’aluminium ;
- la figure 2 [Fig 2] représente schématiquement une coupe partielle, dans un plan longitudinal vertical, d’exemples (A) et (B) d’une cellule d’électrolyse avec des anodes inertes ou « non-consommables » et des cathodes mouillables par l’aluminium, différant par la conception du revêtement de cuve ;
- la figure 3 [Fig 3] représente, vus de dessus et partiellement, différents revêtements latéraux ;
- la figure 4 [Fig 4] illustre schématiquement la mise en œuvre d’un poussoir, le revêtement latéral étant observé vu de côté ;
- la figure 5 [Fig 5] illustre schématiquement la mise en œuvre d’un autre poussoir, le revêtement latéral étant observé vu de côté;
- la figure 6 [Fig 6] représente schématiquement une coupe longitudinale partielle d’exemples (A) et (B) de cellule d’électrolyse selon l’invention ;
- la figure 7 [Fig 7] illustre schématiquement, vu de dessus et partiellement, des exemples (A) et (B) de cellule d’électrolyse selon l’invention ;
- la figure 8 [Fig 8] illustre schématiquement, vu de dessus et partiellement, un revêtement latéral d’une cellule d’électrolyse selon l’invention équipée d’un souffleur ;
- la figure 9 [Fig 9] illustre schématiquement, vu de dessus et partiellement, un revêtement latéral d’une cellule d’électrolyse selon l’invention équipée d’un souffleur destiner à ventiler les joints de ce revêtement latéral ; et
- la figure 10 [Fig 10] représente schématiquement une coupe longitudinale, selon le plan de coupe A- A, (figure 10(A)) et une vue de dessus, selon le plan de coupe B-B, (Figure 10(B) d’une cellule d’électrolyse selon l’invention.
Dans les différentes figures, des références identiques sont utilisées pour désigner des organes identiques ou similaires.
Définitions
Un matériau réfractaire est un matériau présentant une température de fusion supérieure à 1500°C. Cette définition est communément employée par l’homme du métier et citée dans « Matériaux réfractaires et céramiques techniques (éléments de céramurgie et de technologie) », G. Aliprandi, éditions Septima Paris, 1979. Cet ouvrage donne également, en pages 297 à 301, des exemples de matériaux réfractaires, notamment oxydes, carbures et nitrures.
Par « isolant thermiquement », on qualifie classiquement une matière (ou, par extension, un objet en une matière) présentant une conductivité thermique, mesurée à 500°C, inférieure à 5 W/m.K, de préférence inférieure ou égale à 3 W/m.K, de préférence inférieure ou égale à 2 W/m.K. La conductivité thermique peut être déterminée par la méthode de fil chaud (ISO 8894-1).
Une matière « conductrice thermiquement » est une matière (ou, par extension, un objet en une matière) qui n’est pas isolante thermiquement. La porosité totale est classiquement égale à 100 x (densité absolue - densité apparente) / densité absolue. Les mesures de la densité apparente sont effectuées suivant la norme ISO5017 sur un barreau de matériau prélevé à cœur de la pièce. La densité absolue est classiquement mesurée sur poudre broyée, au moyen d’un pycnomètre à hélium.
La porosité ouverte est mesurée selon la norme ISO5017.
Par « Composite à Matrice Céramique », ou « CMC », on entend classiquement un produit composé de fibres liées entre elles par une matrice céramique. Les fibres seront choisies selon l’environnement où doit être placé le composite à matrice céramique, notamment en fonction des conditions de température, de corrosion, de cyclage thermique, de dilatation, et suivant la nature de la partie réfractaire à garnir.
Un cermet est un matériau composite composé d’un renfort en céramique et d’une matrice métallique.
Dans un souci de clarté, on utilise les formules chimiques par exemple des oxydes pour désigner les teneurs de ces oxydes dans une composition. Par exemple, « ZrCL », « SiCL » ou « AI2O3 » désignent les teneurs de ces oxydes et « zircone », « silice » et « alumine » sont utilisés pour désigner des phases de ces oxydes constituées de ZrCL. SiCL et AI2O3, respectivement. Il en est de même pour les non-oxydes tels que « SiC » par exemple.
Une « plaque » est une pièce dont l’épaisseur, sensiblement constante (variation de moins de 10% autour de l’épaisseur moyenne), est inférieure à trois fois, de préférence inférieure à 5 fois, de préférence inférieure à 10 fois la largeur.
Les adjectif « supérieur », « inférieur », « horizontal » et « vertical » et les adverbes « au-dessus » et « en dessous » font référence à une position de service dans laquelle la cellule d’électrolyse repose sur un sol horizontal.
« Comporter » ou « comprendre » ou « présenter » doivent être interprétés de manière non limitative.
Description détaillée
Comme décrit dans le préambule, une cellule d’électrolyse selon l’invention comporte un fond 16 et une paroi latérale 14.
Fond
Dans un mode de réalisation, le fond comprend un produit monolithique disposé en une ou plusieurs couches. L’étanchéité en est améliorée. De préférence le produit monolithique est un béton ou un pisé réfractaire, de préférence non carboné.
Dans un mode de réalisation, le fond de cuve comprend un assemblage des blocs de fond réfractaires, ou « revêtement de fond », en particulier un assemblage de dalles, de préférence en un matériau réfractaire, de préférence choisi parmi un matériau électrofondu, un matériau de carbone, un matériau de TitL. un matériau de SiC et/ou de nitrure de Silicium. Les blocs de fond sont adjacents les uns aux autres et séparés par des joints. Les joints, dits « joints de fond », entre les blocs de fond réfractaires sont remplis ou non de ciment réfractaire.
Paroi latérale
La paroi latérale comporte un revêtement latéral 19 et une enveloppe métallique 20, qui ceinture le revêtement latéral.
L’enveloppe métallique peut être tout enveloppe métallique de l’art antérieur.
Le revêtement latéral définit :
- une « face chaude » 19c qui, dans la position de service, est en contact avec l’environnement à l’intérieur de la cuve,
- une « face froide » 19f, opposée à la face chaude, qui, dans la position de service, est en regard de l’enveloppe métallique.
L’épaisseur ei9 du revêtement latéral, mesurée entre les faces chaude 19c et froide 19f, est supérieure à 50 mm, de préférence supérieure à 100 mm, de préférence supérieure à 150 mm et/ou est inférieure à 400 mm, de préférence inférieure à 300 mm, de préférence inférieure à 200 mm.
La hauteur du revêtement latéral, mesurée depuis le fond jusqu’à l’extrémité libre du revêtement latéral, est de préférence supérieure à 0,5 m, de préférence supérieure à 1 ,0 m, et/ou est inférieure à 2,0 m.
Le revêtement latéral 19 comprend un assemblage de blocs latéraux 18 réfractaires, sous la forme d’une ou plusieurs couches (référencées Cl et C2 sur la figure 3(D)).
Les joints, dits « joints latéraux », entre les blocs latéraux réfractaires sont remplis ou non de ciment réfractaire.
Comme illustré sur la figure 4 pour le bloc 182, la surface d’un bloc latéral 18 comporte :
- des faces supérieure 18s et inférieure 18i, orientées vers le haut et le bas de la cuve, respectivement, qui s’étendent sensiblement horizontalement ; et
- un ensemble de faces « latérales », qui relient les faces supérieure 18s et inférieure 18i et s’étendent sensiblement verticalement.
On distingue les faces latérales qui délimitent un joint, ou « face de joint » 18j , et les autres faces latérales, dites « faces exposées ».
Selon qu’une face latérale est orientée vers l’intérieur ou vers l’extérieur de la cuve, elle peut être qualifiée de « face chaude » ou de « face froide », respectivement.
Sur la figure 4, la face 18c est une face chaude du bloc latéral 182. C’est une face exposée. La face 18f est une face froide du bloc 182. C’est une face de joint 18j . Un bloc peut ne pas comporter de face chaude, comme le bloc I82 de la figure 7(A). Ce bloc 182 comporte deux faces de joint qui délimitent respectivement les joints 3012 et 3O23, et deux faces exposées, qui sont des faces froides.
Le bloc 182 de la figure 7(B) comporte deux faces de joint qui délimitent respectivement les joints 3012 et 3O23, et quatre faces exposées, trois des faces exposées étant des faces froides, une des faces exposées étant une face chaude.
Une face chaude 18c peut être en contact avec l’environnement à l’intérieur de la cuve, comme la face chaude du bloc 182 de la figure 4 (elle définit alors partiellement la face chaude 19c du revêtement latéral), ou non, comme la face chaude du bloc 181 de la figure 4, qui est une face de joint.
Une face froide peut faire face à l’enveloppe métallique 20 (il s’agit alors d’une face exposée) ou à un bloc adjacent de manière à délimiter un joint (il s’agit alors d’une face de joint).
La face chaude et/ou la face froide peuvent être des faces de joint. Par exemple, sur la figure 4, la face froide du bloc 182 est une face de joint.
Dans un mode de réalisation, le revêtement latéral comporte un assemblage de blocs latéraux, en particulier un assemblage de dalles, de préférence en un matériau réfractaire, de préférence choisi parmi un matériau électrofondu, un matériau de carbone, un matériau de TiB2, un matériau de SiC et/ou de nitrure de Silicium.
La figure 3 illustre différents assemblages de blocs latéraux 18.
Dans le mode de réalisation (A), le revêtement latéral comporte une unique couche de blocs latéraux. Les blocs latéraux 18 sont profilés, c'est-à-dire que le contour de leur section transversale, c'est-à-dire dans un plan horizontal, est le même quelle que soit la hauteur à laquelle le bloc est sectionné. Le contour des deux blocs à gauche de la figure sont trapézoïdaux.
Les faces de joint des blocs latéraux 181 et 182 sont conformées de manière que le joint 30 entre ces blocs est sensiblement plan et incliné d’un angle a supérieur à 100°, de préférence supérieur à 120°, de préférence supérieur à 130°, par rapport au plan P selon lequel à la face chaude des blocs 181 et 182 s’étendent. Cette inclinaison permet avantageusement de réduire le risque d’infiltration mais également d’améliorer l’efficacité du poussoir.
Dans le mode de réalisation (B), le revêtement latéral comporte des joints 30, qui, suivant la direction de l’épaisseur du revêtement latéral, présentent un décrochement 32. De préférence, un même joint peut comporter une pluralité de décrochements. On considère que la direction de l’épaisseur des blocs est celle du revêtement latéral. Elle est de préférence comprise entre 5 et 300 mm.
De manière générale, un joint qui ne s’étend pas uniquement selon la direction de l’épaisseur du revêtement latéral est plus difficile à parcourir par un liquide infiltré dans le joint. Toute variation de pente d’un joint limite ainsi le risque de fuite. De préférence, au moins un joint, voire chaque joint, présente une variation de pente lorsqu’on suit la direction de l’épaisseur du revêtement latéral, c'est-à-dire n’est pas plan, et de préférence présente au moins une rupture de pente, c'est-à-dire une arête. Il peut par exemple s’étendre selon une pluralité de pans plans.
Dans un mode de réalisation, les blocs adjacents présentent des faces de joint sous forme de gorge et cordon.
Le bloc 18i comporte, du côté gauche, deux blocs adjacents 182 et 183, et donc deux joints 3012 et 30B, qui se succèdent. Le bloc 182 permet, sous l’effet d’un poussoir, de fermer l’accès du bain d’électrolyte ou du métal en fusion qui commencerait à s’infiltrer dans le joint 30B.
Dans le mode de réalisation (C), le revêtement latéral comporte des joints « baïonnette » qui présentent un décrochement 32.
De manière générale, un décrochement conduit de préférence à une rupture de pente de plus de 45°, de préférence de plus de 60°, de préférence de plus de 80°, de préférence de sensiblement 90°.
Dans le mode de réalisation (D), le revêtement latéral comporte plusieurs couches, et en particulier une couche « chaude » Cl, du côté de l’intérieur de la cuve, de préférence en contact avec le bain d’électrolyte et/ou le métal en fusion, et une couche « froide » C2, de préférence isolante thermiquement, couvrant au moins partiellement la première couche. Les blocs de la couche isolante thermiquement présentent de préférence une résistance mécanique suffisante pour ne pas s’écraser sous l’effet d’un poussoir.
Chaque couche est formée d’une ou plusieurs rangées de blocs réfractaires superposées et/ou d’une succession de blocs réfractaires adjacents s’étendant chacun sur toute la hauteur du revêtement latéral.
Dans le mode de réalisation (E), au moins une partie des joints entre les blocs de la couche chaude débouchent à l’extérieur de la cuve ou en regard de l’enveloppe métallique, c'est-à-dire en particulier ne débouchent pas face à la couche froide. Autrement dit, tout ou partie des joints entre lesdits blocs de la couche chaude est découverte en face froide, c'est-à-dire est visible depuis l’extérieur de la cuve ou depuis l’enveloppe métallique. Avantageusement, cette exposition des joints de la couche chaude facilite la ventilation de refroidissement au moyen du souffleur.
Dans un mode de réalisation (F) le revêtement latéral comporte deux couches Cl et C2, la couche Cl définissant la face chaude 19c. Une couche supplémentaire C3 de plaques céramiques conductrices thermiquement, par exemple comprenant du carbure de silicium et/ou de bore et/ou du diborure de titane, recouvre au moins partiellement, en face froide de la couche C2, les joints entre lesdits blocs. Avantageusement, cette configuration facilite le refroidissement local par ventilation au moyen du souffleur.
De préférence, les blocs des première et deuxième couches sont disposés en quinconce. Avantageusement, aucun joint ne peut ainsi traverser le revêtement latéral selon son épaisseur suivant un chemin rectiligne.
Bloc latéral
De manière générale, un bloc latéral peut présenter diverses formes. Il est de préférence parallélépipédique.
C’est de préférence un profilé, de préférence un profilé au moins suivant la direction verticale. Dans un plan de section transversal horizontal, le contour du bloc latéral peut être trapézoïdal. Le bloc latéral peut aussi présenter une face de joint et/ou une face chaude et/ou une face froide plane(s), concave(s) ou convexe(s), notamment conique(s), cylindrique(s) ou en forme de cornière.
Selon un mode de réalisation, le bloc latéral présente une face supérieure non horizontale et une pente permettant de faciliter l’alimentation progressive en oxyde métallique en partie latérale de la cuve afin de saturer localement le bain électrolytique en oxyde métallique et réduire le cas échéant l’ action corrosive du bain d’électrolyte.
Dans un mode de réalisation, le bloc latéral est un bloc d’angle. Le bloc latéral peut présenter une face froide et/ou une face chaude définissant une arête avec un large chanfrein, comme illustré sur la figure 7(B). Cette configuration permet avantageusement d’exercer une pression sur deux joints orientés différemment, avec un seul poussoir.
La surface cumulée de la ou des faces froides et/ou de la ou des faces chaudes est de préférence comprise entre 500 et 20 000 cm2.
De préférence, un bloc latéral, de préférence un bloc en contact avec l’intérieur de la cuve, c'est-à-dire appartenant à une couche chaude, de préférence chaque bloc latéral est constitué en un matériau réfractaire comportant, de préférence constitué par un ou plusieurs oxydes. Le ou les oxydes est/sont de préférence choisi(s) parmi AI2O3, MgO, CaO, Z1O2 et SiCL. de préférence choisi(s) parmi AI2O3, MgO, CaO et Z1 O2.
Un bloc d’une couche froide peut également comprendre un matériau isolant thermiquement et/ou un matériau conducteur thermiquement. Le matériau conducteur est de préférence choisi parmi un carbure et/ou un nitrure et/ou un borure, de préférence parmi SiC, SLN4. B4C, TiB2, ZÆ2 et TiC. De préférence le matériau isolant thermiquement est choisi parmi les matériaux d’alumine poreuse, de préférence sous la forme d’une mousse dont la porosité ouverte permet de faire circuler le gaz destiné à refroidir le joint avec un choc thermique réduit sur les blocs de la couche chaude. Selon un autre mode possible, le matériau isolant thermiquement est un composite à matrice céramique de porosité ouverte supérieure à 5% en volume, de préférence un composite avec des fibres minérales.
La porosité totale d’un bloc latéral, en particulier d’un bloc d’une couche chaude, est de préférence inférieure à 40%, de manière plus préférée inférieure à 20%, voire inférieure à 10%, voire inférieure à 5% et même inférieure à 1%.
La porosité totale d’un bloc latéral d’une couche froide est de préférence supérieure à 60%, de manière plus préférée supérieure à 70%, voire supérieure à 80%. De préférence, le bloc latéral est en un matériau céramique, de préférence en une mousse céramique poreuse.
La porosité totale d’un bloc latéral d’une couche chaude, est de préférence inférieure à 40%, de manière plus préférée inférieure à 20%, voire inférieure à 10%, voire inférieure à 5% et même inférieure à 1%.
La description qui précède concerne un bloc latéral 18, mais peut concerner plusieurs blocs latéraux, voire tous les blocs latéraux. Joint
Un joint est l’espace entre deux blocs disposés l’un à côté de l’autre, de manière adjacente. Il s’étend donc entre deux faces de joint des deux blocs. Les deux blocs peuvent appartenir à une même couche ou à deux couches différentes.
La largeur d’un joint, entre ces deux faces de joint, de préférence d’un joint quelconque, peut être variable ou constante. Elle est de préférence sensiblement constante. La largeur maximale d’un joint, de préférence d’un joint quelconque, est typiquement inférieure à 5 mm, inférieure à 3 mm, inférieure à 1 mm, ou inférieure à 0,5 mm.
Dans un mode de réalisation, un joint, de préférence un joint quelconque, est rempli d’un ciment réfractaire, de préférence un ciment non mouillable par le métal en fusion et/ou le bain d’électrolyte.
Lorsqu’il n’est pas rempli de ciment, la plus petite largeur du joint peut être nulle, les blocs étant alors en contact, en laissant éventuellement subsister des interstices, ou non nulle.
Dans un mode de réalisation, le revêtement latéral comporte une première couche de blocs latéraux réfractaires en contact avec le bain d’électrolyte, et tout ou partie des joints entre lesdits blocs est recouverte, du côté de la face froide du revêtement latéral, d’une plaque 37 conductrice thermiquement. Dans un mode de réalisation, un souffleur 60 souffle un jet de gaz sur ladite plaque. La plaque est éventuellement fixée aux blocs de la première couche grâce à un ciment. La plaque recouvrant le joint est de préférence en un matériau composite à matrice (CMC), par exemple un composite comprenant un matériau conducteur est de préférence choisi parmi un carbure et/ou un nitrure et/ou un borure, de préférence parmi SiC, Si iNr. B4C, TiBi. ZrBi et TiC.
Poussoir
Des poussoirs 40 peuvent être mis en œuvre pour limiter le risque de fuite par les joints.
Un poussoir est un dispositif disposé de manière à pousser l’un contre l’autre deux blocs. Les deux blocs peuvent être en contact l’un avec l’autre et/ou être séparés par un joint en un ciment.
De préférence, le poussoir prend appui sur une face froide 18f d’un bloc réfractaire et sur un ancrage 42, par exemple sur un pilier, comme cela est illustré par exemple par les figures 4 et 5 . Dans la position de service, il est comprimé entre la face froide 18f et l’ancrage 42. Le joint est ainsi fermé sous pression.
La pression résultant de la poussée, égale à la force totale exercée par le ou les poussoirs sur la face froide du bloc réfractaire divisée par la surface de contact du poussoir avec ladite face froide, est de préférence comprise entre 0,5 et 20 MPa, de préférence entre 1 et 10 MPa, de préférence mesurée à la température ambiante de 20°C.
La surface de contact par laquelle un poussoir prend appui sur la face froide, optionnellement au moyen d’une platine 47, est de préférence comprise entre 25 et 2500 cm2 et/ou représente de préférence entre 5 et 30% de la surface de ladite face froide dudit bloc incluant ladite surface de contact. De préférence, la cellule d’électrolyse comporte un mécanisme de réglage de l’intensité de la poussée exercée par le poussoir. De préférence, l’intensité de la poussée est réglée en fonction de la température de la cellule ou de certains évènements connus et prédéterminables, comme un changement ou un effet d’anode, un pompage du métal en fusion ou une évacuation du métal de la cellule par gravité.
Dans un mode de réalisation, un capteur mesure les variations thermiques, ou un effet de ces variations, par exemple la déformation de l’enveloppe métallique 20 et/ou du fond de la cuve, et l’intensité de la poussée est réglée en fonction de ladite mesure, de préférence de manière à maintenir une poussée sensiblement constante dans le temps et/ou de manière à maintenir fermés les joints.
La poussée peut être exercée sur le bloc dans toute direction. Cependant, la direction de la poussée est de préférence horizontale, c'est-à-dire parallèle au fond de la cuve d’électrolyse.
La direction de la poussée est de préférence perpendiculaire à la face froide 18f du bloc sur laquelle le poussoir pousse.
Dans un mode de réalisation préféré, l’ ancrage forme un point d’ appui immobile par rapport à la structure ou au sol S sur lequel ou sur laquelle la cellule repose. De préférence l’ancrage est rigidement fixé sur le sol S qui s’étend autour de la cellule. De préférence, l’ancrage est en un béton ou une pièce sensiblement indéformable de la cellule, par exemple le bord d’une cathode.
Dans un mode de réalisation, illustré sur la figure 6(A), l’ancrage 42 est disposé entre ladite face froide 18f et l’enveloppe métallique. De préférence, l’enveloppe métallique comporte une trappe 43 permettant d’ accéder au poussoir.
Dans un mode de réalisation, illustré par la figure 10, la cellule comporte un cadre 39 de préférence ceinturant la paroi latérale 14, portant un ou plusieurs, de préférence tous les ancrages 42. Le cadre 39 s’étend de préférence entre l’enveloppe métallique externe 20 et la paroi latérale 14. De préférence, il est cependant écarté de l’enveloppe métallique externe 20 et/ou de la paroi latérale 14, de préférence d’une distance de plus de 1 cm, de préférence de plus de 5 cm.
Le cadre 39 de préférence comprend des poteaux 39v, de préférence verticaux, et des traverses 39h, de préférence sensiblement horizontales. Les poteaux 39v sont en appui, de préférence fixés sur le fond 16. Les traverses sont fixées sur les poteaux. Les traverses forment de préférence une ou plusieurs ceintures horizontales. Sur la figure 10, le cadre comporte une ceinture inférieure, reposant sur le fond, et une ceinture supérieure.
Un ancrage 42 peut être un poteau 39v ou une traverse 39h, ou encore, comme sur la figure 10, une pièce prenant appui, de préférence fixée sur le cadre 39.
De préférence le cadre 39 et/ou un ancrage 42, de préférence chaque ancrage 42, est/sont constitué(s) en un matériau métallique ou en un matériau céramique ou en un cermet. De préférence, comme sur la figure 10, les poussoirs 40 appuient sur la paroi latérale 14 par l’intermédiaire de plaques 37, de préférence de plaques céramiques, de préférence conductrices thermiquement, par exemple comprenant, voire constituée de carbure de silicium et/ou de bore et/ou du diborure de titane. De préférence, chaque plaque 37 recouvre au moins partiellement, en face froide, les joints 30 entre les blocs de la paroi latérale.
De préférence, la largeur des traverses ou des poteaux du cadre est supérieure à 20%, de préférence supérieure à 30%, de préférence supérieure à 40%, voire supérieure à 50% de l’épaisseur des blocs 18 du revêtement réfractaire.
Dans un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 6(B), l’ancrage 42 est disposé à l’extérieur de l’enveloppe métallique 20, localement interrompue pour autoriser le passage du poussoir.
Pour exercer la poussée, le poussoir est configurable dans des configurations courte et longue dans lesquelles une longueur utile L du poussoir est inférieure et supérieure à la distance entre la face froide et l’ancrage, respectivement. Il peut être ainsi interposé entre la face froide et l’ancrage dans la configuration courte, puis allongé vers la configuration longue. Il entre alors en butée à la fois sur la face froide et sur l’ancrage immobile et la poursuite de l’opération d’allongement se traduit par ladite poussée.
La longueur L est dite « utile » car c’est cette longueur qui va déterminer l’intensité de la poussée, symbolisée par la flèche blanche sur les figures, en particulier sur les figures 4 et 5.
De préférence, le poussoir 40 comporte une tige 44 d’axe X qui s’étend entre la face froide et l’ancrage, de préférence sensiblement perpendiculairement à la face froide, et dont la position, selon l’axe X, est modifiable afin d’exercer ladite poussée et de préférence régler son intensité.
La tige peut être en appui sur l’ancrage ou la platine par l’intermédiaire d’un pivot ou d’une rotule 46, ce qui améliore l’appui sur l’ancrage ou la face froide, respectivement.
De préférence, le poussoir comporte un organe de blocage 45 adapté pour bloquer en position la tige 44.
De préférence encore, le poussoir 40 comporte encore une platine 47 prenant appui sur la face froide de manière à répartir la poussée sur la face froide. La platine 47 peut par exemple présenter la forme d’une plaque ou d’un disque.
Dans un mode de réalisation, le poussoir 40 maintient la longueur utile à laquelle il a été réglé. Le poussoir agit alors comme un étai conventionnel. Tous les mécanismes utilisés pour les étais sont envisageables.
Dans ce mode de réalisation, le poussoir, dit « statique », fixe ainsi la distance séparant l’ancrage et le bloc sur lequel il s’appuie et s’oppose en particulier à un élargissement du joint. Il est avantageusement simple à mettre en œuvre.
La figure 4 illustre un mode de réalisation de poussoir statique dans lequel le poussoir comporte une tige filetée 44 vissée sur un filetage ménagé dans l’ancrage 42 ou dans un écrou de l’ancrage, le degré de vissage déterminant la longueur utile L du poussoir. La tige filetée et le filetage constituent ensemble un mécanisme de réglage de la longueur utile du poussoir, et donc de l’intensité de la poussée.
Le poussoir comporte encore une poignée, de préférence sous la forme d’un volant 49, qu’un opérateur peut faire tourner pour visser la tige filetée 44. L’organe de blocage 45 peut comporter une collerette de blocage, ou un contre-écrou, pour bloquer la tige filetée 44 afin d’éviter un dévissage non souhaité.
Dans une variante non illustrée, le poussoir comporte un vérin, de préférence pneumatique, poussant la tige 44 vers la face froide et un verrou pour immobiliser la tige du vérin.
Dans un mode de réalisation, le poussoir comporte un organe élastique 48, par exemple un ressort ou un vérin pneumatique ou hydraulique, tendant à augmenter la longueur du poussoir vers la configuration longue. Après interposition du poussoir entre la face froide et l’ancrage, dans la configuration courte, l’organe élastique contribue ainsi à la mise en butée puis à l’exercice de la poussée.
De préférence, la raideur de l’organe élastique est réglable. Tous les moyens de réglage de la raideur connus sont utilisables. En particulier, il est classique de modifier la raideur d’un ressort en modifiant sa longueur au repos. La poussée peut être ainsi réglée afin de s’adapter à la configuration de la cellule.
Dans ce mode de réalisation, le poussoir s’oppose ainsi élastiquement à tout élargissement du joint. L’élasticité permet en outre au poussoir de rester actif si le joint se rétracte.
Un tel poussoir « élastique » permet donc en particulier d’ accompagner une variation dimensionnelle des blocs latéraux et d’éviter l’ouverture comme la fermeture du joint entre les blocs.
La figure 5 illustre un exemple de poussoir élastique.
Dans une variante, l’organe élastique est une rondelle Belleville sur laquelle prend appui une tige 44. De préférence, la raideur peut être réglée, par exemple en modifiant la longueur utile de la tige 44. La tige 44 peut être par exemple une tige filetée, comme décrit précédemment, la rondelle Belleville étant interposée entre l’extrémité de la tige et la face froide, par exemple à la place de la platine 47 ou entre ladite extrémité et la platine 47.
De préférence, le poussoir comporte encore une première platine 47 prenant appui sur la face froide et/ou une deuxième platine 47’ prenant appui sur l’ancrage.
Quel que soit le mode de réalisation, le poussoir est en un matériau résistant à la température de son environnement en service, et en particulier à la température de la face froide sur laquelle il prend appui. Cette température dépend notamment du matériau réfractaire du bloc qui définit la face froide et de la température de la cellule.
Plus particulièrement, le matériau d’un poussoir, de préférence de chaque poussoir, est de préférence choisi parmi les alliages métalliques.
Un poussoir, de préférence de préférence chaque poussoir, comprend de préférence, à son extrémité au contact avec la face froide du bloc, un matériau d’interface. De préférence, le matériau d’interface est isolant thermiquement, c'est-à-dire présentant, à 600°C, une conductivité thermique inférieure à 5 W/m.K. Un poussoir peut prendre appui sur un ou plusieurs blocs, par exemple par l’intermédiaire d’une platine 47 ou d’une plaque d’appui 50, de préférence isolante thermiquement pour éviter réchauffement du poussoir, comme illustré sur la figure 3(D) ou la figure 3(F).
Plusieurs poussoirs peuvent prendre appui sur un même bloc. Les directions des poussées peuvent être identiques, comme illustré sur la figure 3 (C), ou différentes, comme illustré sur la figure 7(A).
De préférence, la direction de la poussée est perpendiculaire à au moins un joint 30, comme dans les modes de réalisation des figures 4, 5 et 7(A), ou à au moins une partie d’au moins un joint, comme dans le mode de réalisation des figures 3(B) ou 3(C).
La direction de la poussée peut être alternativement oblique par rapport à au moins un joint 30 que la poussée tend à fermer, comme dans les modes de réalisation de la figure 7(B), dans lequel la poussée comprime à la fois le joint 3012 et le joint 3023, ou de la figure 3(A).
Dans un mode de réalisation, aucun joint n’est parallèle à la direction d’au moins une poussée exercée par un poussoir. Autrement dit, tous les joints subissent l’effet d’au moins une poussée.
Une inclinaison des joints, comme illustrée par exemple sur la figure 3(A), est particulièrement avantageuse pour prendre en compte les contraintes d’encombrement pour positionner les poussoirs.
Selon un mode de réalisation préféré, l’espace 51 (voir figure 10) entre le revêtement latéral et l’ancrage 42 est comblé par un matériau sous forme de solide divisé, en particulier une poudre, de préférence en un matériau isolant thermiquement, de préférence sous forme de particules d’alumine, de préférence d’alumine globulaire. L’espace 51 peut être avantageusement libéré en dégageant ladite couche, par exemple par aspiration, afin d’accéder à la face froide du revêtement latéral et/ou aux plaques 37, par exemple pour les opérations de maintenance ou de démantèlement de la cellule d’électrolyse.
Souffleur
Dans un mode de réalisation, illustré sur la figure 8, la cellule comporte un souffleur 60 disposé de manière à souffler un jet de gaz G vers un joint 30.
Le gaz est de préférence de l’air, de préférence sec.
Il est à une température inférieure à la température de solidification du métal et à celle du bain d’électrolyte. Le soufflage permet ainsi de refroidir et de figer toute coulure de liquide, en particulier de métal ou d’électrolyte en fusion, infiltré entre les blocs réfractaires.
De préférence, la température du gaz soufflé est supérieure d’au moins 20%, de préférence d’au moins 30% à la température en dessous de laquelle le matériau du bloc réfractaire peut présenter une fissuration par choc thermique. A cet effet, le gaz peut être chauffé, par exemple dans un échangeur thermique.
La cellule d’électrolyse comporte de préférence un mécanisme de réglage du débit de gaz de refroidissement et/ou de sa température afin d’adapter le jet de gaz au refroidissement souhaité. Tous les mécanismes de réglage de débit ou de température connus peuvent être envisagés. Le mécanisme de réglage peut par exemple comprendre une valve dont le degré d’ouverture est réglable et/ou un échangeur de chaleur.
Le débit est en outre déterminé pour ne pas perturber l’aspiration des gaz émis par le bain d’électrolyse (gaz fluorés en particulier) ou par le processus d’électrolyse lui-même (dégagement de gaz oxydant à l’anode).
De préférence, le souffleur génère un flux de gaz spécifiquement orienté vers le joint 30. Autrement dit, le soufflage n’est pas un soufflage sur toute la face froide 19f du revêtement latéral, mais un soufflage limité à un ou plusieurs joints 30.
Pour améliorer l’efficacité, le souffleur peut être équipé d’un guide 62 du jet de gaz, par exemple sous la forme d’un déflecteur ou d’une cloche. Le guide présente de préférence une forme permettant de suivre un ou plusieurs joints 30. Par exemple, si les joints 30 s’étendent sur la face froide 19f du revêtement latéral comme illustré sur la figure 9, le guide peut présenter la forme d’un réseau de distribution du gaz, par exemple d’un réseau de goulottes ou de tubulures ou d’une rampe perforée, le réseau étant adapté de manière à distribuer l’air aux différents joints, de préférence en fonction des besoins en refroidissement, comme illustré sur la figure 9.
Les fuites de gaz soufflé sont ainsi limitées et l’effet local du soufflage est optimisé.
Le souffleur est de préférence intégré à la cellule. En particulier, le réseau de distribution est de préférence rigidement fixé à d’autres pièces de la cellule, par exemple à l’enveloppe 20 de la cuve.
Dans un mode de réalisation, le souffleur est amovible. Il peut être ainsi avantageusement utilisé pour différentes cellules d’électrolyse.
Comme cela apparaît clairement à présent, l’invention permet d’améliorer l’étanchéité de la cuve, et en particulier de la paroi latérale, même lorsque la viscosité du liquide en contact avec les joints est faible et que la température du bain d’électrolyte est élevée et varie.
Bien entendu, la présente invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits, fournis à titre d’exemples illustratifs et non limitatifs.
En particulier, sauf incompatibilité technique, la description détaillée de l’invention, relative à des premier et deuxième blocs latéraux, est applicable à des premier et deuxième blocs de fond. Les deux blocs peuvent donc être des blocs appartenant au revêtement latéral ou au revêtement de fond.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule d’électrolyse destinée à la synthèse d’un métal par réduction d’un oxyde dudit métal en fusion, ladite cellule comportant une cuve (12) comportant
- un revêtement de cuve définissant une paroi latérale (14) et un fond (16), et
- une enveloppe métallique externe (20) enveloppant au moins partiellement ledit revêtement de cuve, ledit revêtement de cuve comportant un premier bloc (181) réfractaire et un deuxième bloc (182) réfractaire adjacent au premier bloc ( 181), l’espace entre les premier et deuxième blocs étant appelé « joint » (30) ; la cellule d’électrolyse étant caractérisée en ce qu’elle comporte un souffleur (60) disposé de manière à souffler un jet de gaz (G) sur le joint (30).
2. Cellule d’électrolyse selon la revendication précédente, dans laquelle les premier et deuxième blocs sont des blocs latéraux.
3. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle
- des faces chaudes (18c) des premier et deuxième blocs s’étendent dans un plan (P) commun, au moins localement autour du joint (30), au moins une partie du joint étant inclinée d’un angle compris entre 100° et 170° par rapport au dit plan ; et/ou
- le joint présente une variation de pente (32) lorsqu’on suit la direction de l’épaisseur des premier et deuxième blocs.
4. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle au moins un des premier et deuxième blocs présente, dans une section transversale, un contour trapézoïdal ou présentant un décrochement (32), la rupture de pente résultant du décrochement étant de préférence de plus de 60°.
5. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le revêtement de cuve comporte des première et deuxième couches,
- le joint étant entre lesdites première et deuxième couches ; et/ou
- les première et deuxième couches s’étendant verticalement ; et/ou
- les blocs des première et deuxième couches étant disposés en quinconce ; et/ou
- un ou plusieurs, de préférence tous les joints de la couche du côté de l’intérieur de la cuve est/sont, en face froide, recouvert(s) par un matériau poreux ou découvert(s) afin de faciliter le soufflage dudit gaz.
6. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, contenant un oxyde d’aluminium ou un oxyde de fer.
7. Cellule d’électrolyse selon la revendication immédiatement précédente, comportant au moins une anode inerte et/ou au moins une cathode mouillable par l’aluminium.
8. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un poussoir (40) interposé entre un ancrage (42) et le premier bloc et exerçant une poussée du premier bloc contre le deuxième bloc.
9. Cellule d’électrolyse selon la revendication immédiatement précédente, dans laquelle l’ancrage (42) est indépendant de l’enveloppe métallique (20) et/ou s’étend entre l’enveloppe métallique (20) et le revêtement de cuve.
10. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 et 9, dans laquelle le poussoir présente une longueur utile (L), mesurée entre l’ancrage et le premier bloc,
- réglable de manière à être fixée à une valeur de consigne, ou
- variable élastiquement.
11. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans laquelle la direction de la poussée est horizontale.
12. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, dans laquelle la direction de la poussée est inclinée par rapport à un plan dans lequel s’étend au moins une partie du joint (30) entre les premier et deuxième blocs.
13. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans laquelle la poussée exerce une pression comprise entre 0,5 et 20 MPa.
14. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, dans laquelle l’espace (51) entre le revêtement de cuve et l’ancrage (42) est rempli, au moins partiellement, d’une poudre en un matériau présentant une conductivité thermique, mesurée à 500°C, inférieure à 5 W/m.K.
15. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 à 14, dans laquelle l’ancrage (42) est intégré dans, ou est rigidement fixé sur, un cadre (39) ceinturant la paroi latérale (14), le cadre (39) étant de préférence écarté de l’enveloppe métallique externe (20) et/ou de la paroi latérale (14).
16. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications 8 à 15, dans laquelle le poussoir (40) est disposé de manière à pousser sur la paroi latérale (14) par l’intermédiaire d’une plaque (37) recouvrant ledit joint (30), la plaque présentant de préférence une conductivité thermique, mesurée à 500°C, supérieure ou égale à 5 W/m.K.
17. Cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un mécanisme de réglage (44)
- de l’intensité de ladite poussée lorsque la revendication 8 s’applique ; et/ou
- du débit et/ou de la température du jet de gaz.
18. Procédé d’exploitation d’une cellule d’électrolyse selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel : on détermine une valeur de consigne en fonction des conditions de fonctionnement de la cellule d’électrolyse, puis on règle, suivant la valeur de consigne, - l’intensité de ladite poussée lorsque la revendication 8 s’applique ; et/ou
- le débit et/ou la température du dit jet de gaz (G).
PCT/EP2025/063584 2024-05-16 2025-05-16 Cellule d'électrolyse et procédé d'exploitation d'une cellule d'électrolyse Pending WO2025238228A1 (fr)

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