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La présente invention concerne un procede et un
appareillage d'alimentation ponctuelle en alumine e-t addi-
tifs halogenes de cuves produisant de l'aluminium par elec~
trolyse ignée d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue
selon le procede Hall-Heroult.
Jusqu'a une epoque recente, l'alimentation en
alumine etait effectuee en deposant l'alumine sur la croûte
d'electrolyse figee recouvrant la cuve et en brisant perio-
diquement cette croute au moyen de piqueurs, ce qui entral-
nait la chute de l'alumine dans le bain en quantites impor-
tantes et mal contrôlees.
De tels procedes ont éte decrits, par exemple,
dans les brevets français 1 245 598, 1 526 766, 2 036 896 au
nom de PECHINEY (correspondant respectivement aux brevets
americains US. 3 216 918, 3 372 106, 3 679 557).
On tend maintenant à effectuer l'alimentation en
alumine de façon contrôlee et regulière, de façon à mainte-
nir, en permanence, la concentration en alumine de l'electro-
lyte dans une fourchette predeterminee, en vue d'obtenir le
meilleur rende~ent possible.
De tels systèmes ont eté decrits, en particulier,
dans les brevets français 2 099 434 (ALCOA), 2 264 098
(NIPPON LIGHT METALS) et dans les brevets americains US.
3 400 062 (ALCOA) et US. 3 689 229 (ALCOA). Ils sont géné-
ralement constitués par un moyen cle stockage centralise
d'alumine et par un moyen de distribution de l'alumine sur
les cuves, en un ou plusieurs points, le moyen de dosage de
l'alumine etant le plus souvent combine avec le moyen de
perçage de la croûte d'electrolyte fige.
De tels dispositifs d'alimentation imposent de
placer la tremie d'alimentation à un niveau suffisamment haut
par rapport à la cellule pour assurer l'ecoulement de l'alu-
mine par gravite. En plus, la tremie doit être placee à pro-
ximite de la cellule pour la même raison.
~ 16572fl
Ces dispositifs ne sont pas bien adaptes à la
reduction de l'encombrement des installations et a la trans-
formation en alimentation automatique et ponctuelle des
cellules existantes alimentees, de façon clasque, par enfon-
cement de la croûte.
En outre, ils comportent des dispositifs mecaniques
sujets à de frequents derangements et à usure rapide en rai-
son de l'effet abrasif de l'alumine.
Quant a l'addition des additifs halogenes, chlores
et/ou fluores, destines a compenser les pertes normales en
cours d'electrolyse, ou à corriger la composition de l'elec-
trolyte, pour agir sur son point de fusion ou sa conductivité
électrique ou sa capacité de dissolution de l'alumine, elle
continue a s'effectuer par additions massives (30 a 50 kg,
par exemple) à intervalles de temps relativement longs, ce
qui entralne des inconvénients comparables à ceux de l'addi-
tion massive et incontrôlée d'alumine:
- perturbation de l'equilibre electrochimique de
la cuve, marche en -dents de scie , entre l'excès brutal et
la sous-concentration en additif fluore. De plus, la quan-
tite d'additif à introduire est souvent determiné à partir
d'une analyse et d'un calcul qui ne donnent pas toujours
totale satisfaction. Enfin, les additions effectuées manuel-
lement, constituent une operation penible pour le personnel;
- perturbation de l'alimentation en alumine, qu'il
faut interrompre pendant ces additions.
L'objet de l'invention est un procede d'alimenta-
tion en alumine et en additifs halogenés et, notamment:
fluorure d'aluminium, de calcium, de magnésium, de lithium,
de sodium, cryolithe, chlorures alcalins et alcalinoterreux,
dans les cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium
par le procede Hall-Heroult en utilisant, pour cette intro-
duction, l'orifice ou au moins l'un des orifices pratiqués
et maintenus ouverts dans la croûte d'electrolyte fige pour
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~ 16572~)
l'alimentation en alumine sans qu'il y ait lieu de modifier
le dispositif de piquage.
Selon la présente invention, il est donc prévu un
procédé d'alimentation en alumine et en additifs halogénés
d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse d'alu-
mine dissoute dans de la cryolithe fondue selon la technique
Hall-Heroult, consistant à prelever de l'alumine ou l'additif
halogéné, dans un moyen de stockage comportant, a sa partie
inférieure, un orifice d'écoulement muni d'un moyen d'isole-
ment et à expedier ladite alumine ou additif halogene, en
doses successives, par une canalisation, dans au moins un
orifice pratiqué dans la croûte d'électrolyte figée qui re-
couvre la cuve en fonctionnement normal, caractérisé par la
succession des opérations suivantes: on ouvre le moyen
d'isolement, on laisse s'écouler l'alumine ou l'additif halo-
géné dans le doseur par gravité, on ferme le moyen d'isole-
ment, on injecte de l'air comprimé, à la base du doseur, au
travers de celui-ci, et dans l'axe de la canalisation jusqu'à
ce que toute l'alumine ou l'additif halogéne contenu dans le
doseur ait été expédié/ par ladite canalisation, jusqu'à
l'orifice de la croûte d'électrolyse.
De préférence/ on procède à une injectlon d'air com-
primé dans le moyen de stockage pour accélérer l'ecoulement de
l'alumine ou de l'additif halogéne dans le doseur.
Cette injection d'air est effectuée avant la fin du
remplissage du doseur/ à la partie inférieure du moyen de
stockage et à proximité de l'orifice d'écoulement.
Selon la présente invention/ il est aussi prévu un
dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé d'alimentation
en alumine et en additifs halogénés d'une cuve de production
d'aluminium comportant en combinaison:
- Un moyen de stockage de l'alumine ou d'additifs
halogénés possédant à sa partie inférieure/ un orifice d'écou-
lement muni d'un moyen d'isolement commandé.
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~ 165~2~
- Un doseur volume-trique de volwne comstan-t ou
reylable, don.t la partie supe~ieure est reliee au moyen
d'i.solement commandé et a un orifice de degazage et don.t la
partie inferieure est reliee, d'une part, à une canalisation
d'expedition de l'alumine vers la cuve d'electrolyse, le
depart de cette canalisation etant oriente radialement et,
d'autre part, à un moyen d'injection d'air comprime débou-
chant dans le doseur, à l'oppose du depart de la canalisa-
tion, l'axe du moyen d'injection d'air et l'axe du depart de
la canalisation etant sensiblement confondus.
L'orifice de dégazage du doseur peut être connecte
au depart de la canalisation d'expedition de l'alumine.
La li.aison entre l'orifice de degazage du doseur
et le depart de la canalisation d'expedition est realisee,
de preference, en un materiau transparent ou translucide.
Le moyen d'isolement commande peut être une vanne
pneumatique à manchon interne retractable.
La liaison entre le moyen de stockage et le doseur
est, de preference, une liaison souple - par exemple un man-
chon en caoutchouc - ce qui permet de realiser la canalisa-
tion d'expedition, entièrement en materiau rigide, par exemple
en tube d'acier.
Des modes de realisations preferentiels veulent être
maintenant decrits à titre d'exemples et de façon non limi-ta-
tive en se referant aux dessins attaches, dans lesquels:
La figure 1 schematise l'ensemble du dispositif
d'alimentation.
La f.igure 2 represente le détail du doseur propre-
ment dit.
La figure 3 représente l'ensemble du dispositif
d'alimentation, plus particulièrement adapte à l'addition
dladditifs halogenes.
L'alumine ou l'additif halogene est stocke dans une
tremie 1 munie d'un orifice de remplissage 2 et d'un tube de
~ 1 6~2~
dégazage 3; il est souvent préférable de prévoir, à la par-
tie haute, soit un filtre amovible en grillage 4 disposé
dans l'orifice de remplissage, soit une grille fixe 5, in-
clinée, que l'on peut nettoyer par une porte de visite 6,
pour arrêter les particules de plus de 3 millimètres qui
gèneraient le fonctionnement du doseur.
La trémie est reliée au doseur volumetrique 7 par
un tube flexible 8 de large diamètre ( par exemple 50 à 100
mm). De cette fa~on, le doseur est monte de façon souple,
de qui permet d'eviter l'utilisation de tuyaux flexibles
entre le doseur et la cuve d'electrolyse, dans une zone où
l'usure et les risques d'endommagement sont les plus grands.
Le doseur volumetrique 7 est relie à la sortie du
tube flexible 8 par l'intermediaire d'une vanne pneumatique
9 à manchon interne souple retractable, par exemple une vanne
DOSAPRO (marque deposee), et d'un raccord rapide 10 de tout
type connu.
Le doseur 7, qui est du type volumetrique, comporte
un corps métallique 11 dont la partie supérieure est connec-
tée à la sortie de la vanne pneumatique 9 ainsi qu'à la par-
tie supérieure d'un tuyau de dégazage 12 qu'il est avantageux
de réaliser en matériau transparent translucide et dont la
partie inférieure est reliée à la sortie du doseur et au dé-
part 13 de la canalisation d'expédition 23 par un raccord en
T 14.
Lors du remplissage du doseur 7, l'air s'échappe
par le tube 12 et s'évacue par la canalisation d'expédition
23.
La troisième branche du raccord el- T débouche dans
la partie inférieure du doseur 7 en face et dans l'axe exact
d'un injecteur 15 réalisé de préférence en acier inoxydable.
L'injecteur 15 est alimente en air comprime sous
5 à 6 bars à partir d'une canalisation principale ]6, par
une electrovanne 17 et un diaphragme 18. La même electrovanne
~ ~ ~57~n
17 commande la vanne pneumatique 9 par une derivation, en
amont du diaphragme 18. Ce montage permet d'obteni.r u~e
ouverture rapide de la va~ne pneumatique 9 a la fin du cycle,
par evacuation de l'air comprime - qui la maintenait fermee -
à travers le diaphragme 18.
La tremie 1 comporte, en outre, une canalisation
19 d'introduction d'air de remplissage, coudee et debouchant
a proximite de l'orifice inferieur 20. La canalisation 19
est alimentee en air comprime par l'electrovanne 21 et le
diaphragme 22. On peut ainsi accelerer la fin du remplissage
et raccourcir la duree totale des cycles~
La canalisation d'expedition 23 a une longueur et
une forme adaptee a la disposition de la salle d'électrolyse
et de l'emplacement de la trémie et du doseur. Sa longueur
peut atteindre, et même dépasser, une quinzaine de mètres.
Il faut eviter les coudes brusques. Du fait de la liaison
souple ~manchon 8~7 entre la tremie et le doseur, rien ne
s'oppose a ce que l'ensemble de la canalisation 23 soit en-
tièrement rigide et realisee, par exemple, en tube d'acier,
20 ce qui la rend extrêmement resistante a la chaleur qui regne
: . a proximite de la cuve et aux chocs qu'elle peut recevoir.
La canalisation debouche au niveau d'un orifice 24
perce dans la croûte de sel fige 25 qui recouvre, en fonc-
tionnement normal, la cuve d'electrolyse. Generalement, un
piqueur 26, actionné par un vérin pneumatique, maintient l'o-
rifice d'introduction ouvert en permanence. Des dispositifs
divers, de type connu, peuvent declencher une alarme si l'ori-
fice reste bouche malgre l'action du piqueur, et interrompre
momentanement l'expedition de l'alumine.
Le dispositif fonctionne de la façon suivante:
1 PREREMPLISSAGE
La vanne pneumatiquc 9 est ouverte ct le doseur
commence à se remplir par gravite. L'alumine s'arr~-te par
l'effet de talus a l'entree 13 du tuyau d'expedition 23. La
~ 1~S72(-
durée de cette p~ase doit être de l'ordre de quelques secon-
des.
2 REMPLISSAGE
Pendant cette phase, l'électrovanne de remplissage
21 est actionnée et le remplissage est accélére par l'intro-
duction d'air dans la tremie tube 19. Lorsque le doseur 7
est rempli, une certaine quantite d'alumine parvenue dans le
tuyau de degazage transparent, forme bouchon a la liaison en
-T-- 14 entre le tuyau de degazage 12 et le tuyau d'expédition
23. Ce bouchon arrête l'écoulement d'alumine. Le deverse-
ment est visible au niveau du tuyau transparent, ce qui per-
met de verifier le bon remplissage du doseur. La duree de
la phase de remplissage est de l'ordre d'une dizaine de se-
condes. Lorsque l'alumine est tres fluente, elle avance de
quelques centimètres dans le tuyau d'expedition 23 avant que
son ecoulement s'arrête. La hauteur de la colonne d'alumine
dans le tuyau transparent de dega~age est un indice sensible
de fluidite de l'alumine.
3 VIDANGE
L'électrovanne de vidange 17 es-t actionnee, ce qui
a pour effet de refermer la vanne pneumatique 9 et de provo-
quer l'expedition de l'alumine sous l'effet du jet d'air
comprime sortant de l'injecteur 15. La commande de l'electro-
vanne 17 peu-t être avantageusement synchronisée avec l'ordre
de remontée du vérin de perçage de la croûte sur la cuve
d'électrolyse.
Le doseur 7 se vide normalement cn une dizaine de
secondes. Si on prolonge de 2 a 3 secondes la commande de
l'électrovanne de vidange, on peut être assuré que le doseur
8 et la tuyau-terie 23 sont completement vides a la fin de
cette phase. Dans le cas où l'expédition s'arrête avant la
fin de la vidange, par arrêt de la commande ou de l'alimen-
tation en air comprime, l'alumine se dépose dans la tuyaute-
rie. Au redémarrage de l'expédition suivante, il se forme un
~ 16572(1
bouchon d'alumine. Pans ce cas, la pression dans le doseur
monte suffisamment pour débouchex la tuyau-terie. Dans le
cas où le tuyau d'alumine montë sur le verin se bouche par
projection du bain ou de métal, le doseur se vide mais l'alu-
mine echappe par le jeu existant entre ce tuyau et l~extre-
mite du tuyau d'expedition. Le bon fonctionnement de la vi-
dange peut etre verifie au niveau du tuyau de degazage
transparent, car une partie de la dose passe par ce tuyau.
4 ATTENTE
Le doseur reste plein en attente d'une nouvelle
commande de vidange. La duree de cette phase peut varier en
fonction de la sequence d'alimentation. Il suffit qu'elle
soit superieure à environ 5 secondes pour que l'alumine se
stabilise.
Ce deroulement de phases a l'avantage d'assurer les
mêmes conditions de remplissage independamment de la sequence
d'alimentation.
La duree d'un cycle complet de quatre phases est de
l'ordre d'une trentaine de secondes, ce qui autorise une ca-
dence de fonctionnement d'une centaine de doses à l'heure.
Par ailleurs, le deroulement des sequences se prêteparfaitement à une automatisation integrale.
Le comportement physique e-t, en par-ticulier, la
moindre fluidite de certains additifs halogénés nécessite
parfois une adaptation du dispositif de la figure l.
Pour assurer de façon régulière le remplissage et
la vidange du doseur volumétrique et l'expédition de l'addi-
tif halogéné vers l'orifice 24 de la cuve d'elec-trolyse par
la canalisation 32, on peut proceder à une ou plusieurs des
modifications suivantes qui apparaissent sur la figure 3:
- l~ Augmentation de la section du passage du moyen
d'isolement commande 9 entre la tremie de stockage et le do-
seur volumétrique.
- 2/ Mise en place, au depart 13 de la canalisation
i 1~572~)
d'expédition 32, d'un moyen d'isolement commandé 27 tel que
vanne pneumatique a manchon interne souple rétractablel (par
exemple vanne DOSAPRO - marque déposée), dont l'ouverture
est commandée par l'électrovanne 28 en synchronisme avec
l'injection d'air comprimé a la base du doseur volumétrique
7, ce qui assure un dosage volumétrique précis et independant
de l'additif halogéné.
- 3/ Mise en état fluidise, pendant la phase de
remplissage du doseur volumétrique 7 du derive halogene con-
tenu dans la trémie 1 au moyen de la canalisation d'injection29 commandée par l'électrovanne 30 et le diaphragme 31, en
synchronisme avec l'ouverture du moyen d'isolation 9.
La consommation en additifs étant relativement
réduite, il est possible de prévoir une seule trémie de une
ou deux tonnes de capacité en AlF3 par exemple, pour deux ou
plusieurs cuves d'électrolyse, soit avec deux ou plusieurs
doseurs séparés, soit avec un seul doseur alimentant succes-
sevement, par un distributeur commuté, les différentes cuves.
Le dispositif, objet de l'invention, se prête par-
ticulierement bien à l'alimentation automatique des cuvesd'électrolyse. Les doses d'alumine ou d'additif halogene
etant constantes, il suffit que la cadence d'expedition de
chaque dose successive soit modulee, selon un programme pre-
determine, et en fonction de l'evolution de la concentration
de l'electrolyte en alumine et en addi-tif halogéné.
Mais, il est egalement possible d'opérer de la
façon inverse et d'envoyer, à unc cadence constante, des
doses variables d'alumine ou d'additif halogéné. Pour celà,
il suffit de rendre le volume du doseur variable, par exemple
par deformation controlee d'une de ses parois constituee en
materiau souple, tel que du caoutchouc, ou du metal ondule,
ou lntroduction contrôlee, dans le doseur, d'un corps qui en
modifie le volume, sans perturber pour autant le remplissage
et la vidange.
f 16572()
On peut donc choisir entre une alimentation de la
cuve en doses successives égales ou inégales, à des inter-
valles de temps constants ou variables, en fonction des
variations de la teneur du bain en alumine ou en additifs
halogenés, ce qui donne une très grande souplesse dans la
mise en oeuvre des systèmes de régulation.
EXEMPLES D'APPLICATION A L'ALIMENTATION EN ALUMINE.
On a appliqué le dispositif, objet de l'invention,
à l'alimentation en alumine automatique et ponctuelle d'une
série de cuves d'électrolyse fonctionnant sous 70 kA.
Le doseur 7 a une capacite en alumine de 1050
grammes. Des essais de reproductibilité ont montré une dis-
persion inférieure a + 20 grammes avec une même alumine, et
inférieure à + 50 grammes, sur une longue période, en raison
de légères variations dans la fluidité des livraisons succes-
sives d'alumine.
La canalisation d'expédition entre le doseur et la
cuve d'électrolyse a une longueur totale de 4 mètres. Elle
est constituée en tube d'acier de 15 mm de diametre intérieur
et de 21 mm de diametre extérieur.
EXEMPLE D'APPLICATION A L'ALIMENTATION EN ADDITIFS HALOGENES.
Le doseur 7 a été ajuste pour une capacité en AlF3
de 1 kg. Des essais de reproductibilité ont montre une dis-
persion inférieure à ~ 20 grammes avec un même additif, et
inférieure à :~ 50 grammes, sur une longue période, en raison
de légères variations dans la fluidlté et la granulométrie
des livraisons.
La canalisation d'expedition entre le doseur et la
cuve d'électrolyse a une longueur totale de ~ m~tres. Elle
est constituée en tube d'acier de 15 mm de diamatre intérieur
et de 21 mm de diametre extérieur.
La cadence d'expédition a été fixée a une dose de
1 kg d'AlF3 toutes les 5 500 secondes (1 heure 32 mm environ).
Parmi les avantages du dispositif, objet de l'in-
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1 1~572f~
vention, on peut citer: la précision du dosage, la simpli~
cité: deux électrovannes et une vanne pneumati~ue, l'absence
de tout organe mob.ile sujet a usure ou a abrasion, llabsence
de tout moyen de fluidisation de l'alumine, la possibilité
d'utiliser des canalisations d'expedition de niveau variable
et de grande longueur jusqu'a 15 metres et même au-dela et
de disposer les tremies et les doseurs a la hauteur et a
l'emplacement le plus judicieux et le plus accessible, pour
faciliter le contrôle et l'entretien.
