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SUPERSTRUCTURE DE CUVE D'ELECTROLYSE DE TRES HAUTE INTENSITE
POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
DOMAINE.TECNNIQUE.DE.L'INI/ENTION
La présente invention concerne une superstructure de cuve de très haute
intensité pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult par
électrolyse d'alumine dans de la cryolithe fondue. Cette superstructure de
cuve est destinëe à supporter, dans le plus faible valume possible et avec
un encombrement minimum, les différents dispositifs annexes indispensables
au fonctionnement de la cuve donc nécessairement placés dans son
environnement immédiat.
ETAT.DE.LA.TECNNIQUE.ACTUELLE
La superstructure d'une cuve d'électrolyse moderne est constituée par une
ou plusieurs poutres horizontales en acier appuyées sur des pieds à leurs
extrémitës et supportant les dispositifs annexes.dont les montées de
courant anodique et le cadre anodique formé par des barres d'aluminium
auxquelles sont connectées les anodes, les systèmes d'alimentatian en
cryolithe et alumine (réservoir d'alumine, brise-croûte,
distributeur-doseur), les mécanismes de commande de montée-descente des
anodes; et très souvent, les canalisations de captage des effluents, gaz
et poussières, émis par la cuve.
2
difficile car celle-ci doit posséder une rigidité suffisante pour
- supporter avec son propre poids les anodes et taus les dispositifs
annexes énumérés précédemment,
- supporter l'effort nécessaire pour rompre ies croûtes d'électrolyte
solidifié s'opposant aux déplacements verticaux des anodes,
- assurer la constance de la distance anode-cathode (environ 40 mm) sur
toute la longueur de la cuve car le processus de régulation des cuves
exige un positionnement extrêmement précis du plan anodique par rapport
au plan cathodique horizontal formé par la nappe d'aluminium liquide.
Pour ce faire on est conduit à augmen~er l'épaisseur et la hauteur des
poutres et par conséquent leur masse. Par ailleurs l'augmentation de
hauteur se répercute sur celle des bâtiments. donc sur leur coût. On est
par conséquent rapidement limité dans cette voie.
Pour les cuves. de grande intensité fonctionnant néanmoins à des intensités
inférieures â 300 kA, une solution est apportée par l'adjonction, entre
les pieds d'extrémité supportant les poutres horizontales de points
d'appui ou portiques intermédiaires tels que préconise EP-A-0210111
(US 4 720 333) pour former une superstructure à supports multiples ou
structure multipalée. '
Pour les cuves de trës haute intensitë fonctionnant à plus de 300 kA,
cette solution devient quasiment inapplicable en raison de l'impossibilité
2' de réaliser certaines manoeuvres, notamment lors des changements d'anodes
et des risques d'accïdent résultant du trop grand encombrement des grands
côtés de cuve.
En effet, avec 1°augmentation du nombre des anodes. mais surtout de
leurs
dimensions et par conséquent de leur masse unitaire qui dépasse 2 tonnes,
de nouvelles difficultés sont apparues pour assurer une bonne exploitation
des cuves, remettant notamment en cause la superstructure multipalée avec
pieds d'extrémité et portiques intermédiaires telle que décrite
précédemment. De fait cette superstructure s'est avérée incompatible avec
certains dispositifs intégrés en rendant par exemple inaccessibles les
systëmes de connexion électrique et mécanique, ou connecteurs, des tiges
d'anode au cadre anodïque.
' 3
Ainsi, les connecteurs habituellement en service sur les cuves
d'électrolyse de moyenne et grande intensité (I < 300 kA) sont des
connecteurs à "entrée droite" tels que décrits par exemple dans le
document US 3627670 (FR-A-2039543) pour lesquels le positionnement avant
serrage de la tige d'anode sur le cadre anodique est réalisé par
déplacement dé cette tige, maintenue verticale, vérs son emplacement dans
le connecteur selon un plan perpendiculaire au plan du cadre anodique.
Or, avec l'augmentation des dimensions des anodes, cette manoeuvre
d'approche des connecteurs situés prês des points d'appui, c'est-à-dire
des pieds d'extrémité et des portiques intermédiaires, devient impossible
puîsque ces points d'appui sont placés sur la trajectoire des anodes.
Par ailleurs, ces connecteurs à "entrée droite" comportent une partie fixe
solidaire du cadre anodique assurant le centrage de la tige d'anode et une
i5 partie amovible assurant le serrage et le blocage contre le cadre anodique
de la tige une fois positionnée. S'agissant maintenant de tenir des anodes
dont la masse dépasse 2 tonnes, la qualité du contact et du serrage de la
tige d'anode contre le cadre anodique doit rester excellente pour limiter
la chuté de tension à l'interface tige/cadre mais aussi pour éviter tout
glissement de l'anode et par suite toute perturbation due à une variation ~
locale de'la distance anodelcathode. Pour ce faire la. pression de serrage,
donc la taille des connecteurs, et notamment de leur partie amovible,
doivent être considérablement augmentées. Pendant les opérations de
Changement d'anode, il convient alors de prévoir des moyens d'accrochage
25- pour retenir temporairement ces parties amovibles dont la masse peut
atteindre 30 ou 40 kg; augmentant donc les risques de chute et
d'encombrement dans la zone de travail.
Compte tenu de ces inconvénients la demanderesse a été amenée à mettre au
point, pour les cuves d'êlectrolyse de très haute intensité, une nouvelle
superstructure en combinaison avec un autre type de connecteur d'anode
afin:
- de conserver une rigidité suffisante aux poutres horizontales en dépit
de l'augmentation du poids des anodes et de certains dispositifs
annexes; et cela sans surdimensionnement en hauteur de la superstructure
qui nécessiterait une surëlévatïon des bâtiments.
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- de réaliser les changements d'anode sans difficultë résultant d'une part
de l'encombrement et des risques de chute causés par les parties
amovibles des connecteurs, d'autre part de l'inadaptation de la
superstructure multipalée avec le mode de connexion des tiges d'anode et
cela sans allongement de la superstructure ni augmentation de l'entraxe
entre cuve, donc sans modification des dimensions au sol des bàtiments.
OBJET DE L'INVENTION
I1 est apparu lors des essais, que le rôle des portiques intermédiaires
pouvait étre privilégié par rapport à celui des pieds d'extrémité et que 3
voire Z portiques judicieusement placës entre les extrémités de chaque
poutre centrale suffisaient, en l'absence de pieds d'extrémité, pour
conserver à la superstructure une rigidité suffisante dês l'instant où la
contrainte de flexion et donc de déformation restait acceptable pour
chaque palée.
Grâce à la limitation du.nombre de palées, et donc de l'encombrement des
grands côtés de cuve, l'accessibilité des connecteurs aux grandes anodes a
~ëté améliorée mais il convenait de régler simultanément le problëme de
l'approche du connecteur par la tige d'anode au niveau des portiques
intermédiaires.
Celui-ci a trouvé une solution par l'adoption d'un nouveau mode de
connexion par engagement latéral des tiges d'anode dans leur connecteur
respectif selon un plan parallèle au cadre anodique, chaque connecteur
restant par ailleurs entièrement solidaire du cadre anodique éliminant ~ w
tout risque de chute des éléments de serrage rendus inamovibles. w
5
uniquement sur des appuis placés entre ses extrémités, de préférence à
plus de 50 cm des extrémités, appelés portiques intermédiaires, et en ce
que chaque cadre anodique, associé à chaque poutre rigide, comporte des
moyens de connexion électrique et mécanique ou connecteur d'anode
entièrement solidaires dudit cadre et assurant le contact et le serrage de
chaque tige d'anode contre celui-ci après engagement latéral et
positionnement de chaque tige dans le connecteur correspondant.
DESCRIPTION-DES.FIGURES
~a figure 1 rappelle la structure en coupe transversale d'une cuve
d'ëlectrolyse et la figure 2 représente un exemple de superstructure de
cuve de haute puissance selon l'art antérieur. Les figures 3 et 4
représentent les variantes les plus usuelles de superstructure de cuve
selon l'invention alors que les figures 5, 6A et 6B représentent un type
de connecteur d'anode à engagement latéral qui, en combinaison avec la
nouvelle superstructure, constitue l'invention. Pour respecter les
proportions (lar°geur/longueur du caisson) une partie de la longueur
des
superstructures a été tronquée sur les figures 2, 3 et 4.
Sur la figure 1 on a souligné les organes essentiels de la cuve
~ d'ëlectrolyse: le caisson métallique 1 le garnissage interne 2, la cathode
3 et la barre cathodique 4, la nappe d'Al liquide 5, le bain de cryolithe
fondue 6 recouvert d'une croûte solidifiée 7, les anodes 8 suspendues par
les tiges 9 et fixées au cadre anodique 10 au moyen des connecteurs 14
ainsi que la superstructure formée par les deux poutres rigides 11 qui
supportent, notamment, le cadre anodique 10, l'ensemble des anodes 8, le
distributeur doseur d'alumine 12 dont le silo de stockage local 13 est
souvent placé entre les deux poutres 11 de même que les canalisations de
captage d'effluents non représentées.
Sur la figure 2 reprësentative d'une superstructure de cuve de l'art
antërieur,,on a schématisé le contour du rebord supérieur 15 du caisson 1
ainsi que les poutres rigides 11 qui forment la superstructure, dont les
extrémitës s'appuient sur les pieds 32 disposés à chaque tête de la cuve
alors que leur milieu s'appuie sur un portique central 17 comportant
lui-m'erre 2 ou 4 pieds 18 reposant sur le rebord supérieur 15 du caisson
dans sa partie-centrale.
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6
On notera aussi le mode de connexion des tiges d'anode par un connecteur
14 enserrant 1a tige 9 d'anode contre le cadre anodique 10 aprës approche
et positionnement de ladite tige maintenue verticale dans un plan
perpendiculaire au cadre anodique passant par le connecteur 14.
La figure 3 représente un exemple de superstructure selon l'invention
comportant 2 poutres rigides 11 en profilé en forme de I posées sur au
moins 2 portiques intermédiaires 17 comportant chacun une poutre d'appui
transversale 19 reposant sur au moins 2 pieds 18. La poutre d'appui
transversale représentêe sous forme de profilé tubulaire de section carrée
peut aussi ëtre constituée par tout profi lé plein par exemple en I, en T
ou en U. bains l e cas présent l es pi eds 18 des 2 portiques i ntermédi ai
res
s'appuient sur le rebord 15 supérieur du caisson dont ils sont isolés
électriquement. Ce système d'appui doit tenir compte de la dilatation du
caisson métallique en cours de service en particulier dans le sens
transversal, de ce fait il ne constitue pas véritablement un point d'appui
fixe. I1 faut donc prévoir une liberté de mouvement de cet appui dans la
direction de dilatation du caisson, c'est-à-dire dans la direction
générale du courant circulant dans la file de cuves disposées en travers
par rapport à l'axe de la file. Pour réaliser cette protection il est donc
nécessaire de prévoir des moyens autorisant le déplacement relatif de
l'appui par rapport au caisson au niveau du plat bord 15 tels que des
appuis glissants ou roulants 32 comme des patins ou des roulements à
rouleaux. I1 est également possible de, réaliser cette protection par un
système articulé, représenté à la figure 4 comportant pour chaque portique
17, d'un côté un pied articulé 18A sur le plat bord 15 autour d'un axe
fixe parallèle au grand axe A-A' de la cuve, de l'âutre côté un pied
mobile constitué par une biellette 18B articulée à une de ses extrémités
sur le plat bord 15 autour d'un axe fixe également parallële au grand axe
de la cuve et à son autre extrémité autour d'un axe mobile commun avec
l'extrêmitë de la poutre d'appui transversale 19 du portique.
L'appui des pieds 18 du portique peut encore s'effect.uer à l'extérieur du
caisson sur des éléments s écialisês,
P par exemple un massif ou des piliers
en béton armé. Cette disposition permet de s'affranchir des problèmes
d'isolation électrique. et de dilatation transversale du caisson mais
réduit l'espace entre les cuves.
7
Si dans sa version la plus usuelle les poutres rigides 11 longitudinales
sont des profilés en I, il est possible de remplacer avantageusement
chaque profil en I par un assemblage mécano-soudé de 2 profilés tubulaires
11A, 11B de section carrée, rectangulaire ou circulaire maintenus
parallèles par des entretoises faisant aussi office dé pieds supports 11C
en profilé plein ou tubulaire, de section carrée, rectangulaire ou
circulaire. Cette configuration représentée â la figure 4, tout en
assurant une excellente rigidité offre l'avantage de laisser des
ouvertures 27 entre les pieds supports (11C) pour ie passage des liaisons
mécaniques et ëlectriques notamment des traverses équipotentielles 28
destinées à assurer un ëquilibrage électrique et mécanique rigoureux entre
les cadres anodiques 10 amont et aval d'une mëme cuve.
L'invention concerne également la réalisation de superstructure avec
poutres longitudinales rigides 11 discontinues c'est-à-dire formées d'au
moins 2 tronçons distincts reposant chacun sur au moins 2 portiques
intermédiaires 17. Cette configuration (non représentée) permet de limiter
les contraintes de flexion que supportent les poutres rigides 11 de grande
longueur mais surtout de simplifier la fabrication, le transport et la
mise en~place de ces poutres. Par ce moyen la superstructure peut méme
ëtre réalisée par assemblage d'éléments modulaires.
D'une façon générale 1°appui des parties longitudinales 11, 118,
continues
ou discontinues sur les portiques intermédiaires 17 est réalisé par un
moyen permettant d'absorber les légers mouvements relatifs des appuis des
poutres sur le portique. Une solution simple consiste à laisser reposer
librement les faces d'appui des poutres longitudinales 11 sur les poutres
d'appui transversales 19 des portiques intermédiaires.
Du point de vue maintenant de la position des circuits électriques dans la
superstructure, et notamment des cadres anodiques l0, il est avantageux
que ces derniers soient placës au-dessus des portiques intermédiaires
comme reprësenté sur les figures 3 et 4 plutôt que logës dans les poutres
transversales des portiques intermédiaires comme représenté sur la figure
2, A noter que, comme les poutres longitudinales rigides 11, les cadres
anodiques ld de grande longueur peuvent ëtre constitués en 2 parties de
façon à répartir les dilatations de part et d°autre du centre de la
8
superstructure. On dispose alors entre les 2 parties un joint de
dilatation assurant 1e contact électrique par exemple une boucle en
feuillards d'aluminium ou tout autre moyen ëquivalent.
Concernant par ailleurs les montées de courant 29 venant de la cuve amont,
il est très préférable de les disposer au droit des portiques
intermédiaires 17 c'est-à-dire dans le mëme plan vertical que celui des
portiques, les clinquants souples 30 qui assurent la liaison ëlectrique
entre la montée 29 et le cadre anodique 10 étant raccordé sur le cadre
dans la zone hachurée 31 de façon à libérer le maximum d'espace pour les
manoeuvres de changement d'anode le long des grands côtés de cuve.
Ces amënagements des principaux éléments de la superstructure destinës à
assurer une desserte efficace des cuves de très haute intensité doivent
ëtre complétés obligatoirement par une modification du mode de connexion
électrique et mécanique des tiges 9 des anodes au cadre anodique 10 en
raison de l'inadaptation des connecteurs aux opérations de positionnement
et de maintien par serrage des anodes de grande dimension. Le nouveau
connecteur 14, permettant un positionnement des tiges 9 d'anodes par
2p engagement latéral dans le logement du connecteur prévu à cet effet et
entièrement solidaire du cadre anodique intégré à la nouvelle
superstructure, a permis de résoudre efficacement les problèmes de
positionnement et de serrage des tiges de grosses anodes.
Selon la figure 5 ce connecteur i4 est constitué notamment d'un chassis
mëtaliique 16 rendu solidaire,du cadre anodique 10 par boulonnage ou tout
autre moyen de fixation rigide 21. Ce chassis délimité par 2 plaques
parallèles 16A, 16B et leurs entretoises 16C comporte un évidement latéral
formant avec le cadre anodique 10 le logement 24 dans lequel vient se
placer la tige 9 d'anode. Celle-ci, maintenue verticale, est d'abord
déplacée selon un plan perpendiculaire au cadre anodique et distant d'au
moins une 1/2 largeur d'anode du bord du portique intermédiaire le plus
proche, puis dëplacée selon un plan parallële au cadre anodique vers le
logement latéral 24 du connecteur où elle est ensuite abaissée vers le
bain et positionnée au niveau requis par le plan anodique. La tige d'anode
est ensuite serrée contre le cadre anodique à l'aide d'un moyen de serrage
26 approprié fixé dans le chassis 16 de sorte que l'ensemble chassis-moyen
v.
. ,
de serrage constituant le connecteur 14 est entièrement solidaire du cadre
anodique.
Un moyen de serrage 26 particulièrement approprié, tel que représenté sur
les figures 5, 6A et 6B, est constitué notamment par 2 biellettes 22
articulées sur un axe commun 20 fixé aux entretoises 16C du chassis et
dont l'écartement est réglé à leurs extrémité libre au moyen de 2 écrous
22A, 22B et une vis filetée 23 à pas inverse par mise en rotation de la
tëte de vis 25. Chaque tëte de biellette du côté de l'axe fixe 20 est
munie d'une piêce de serrage ou traverse 22C, 22D qui vient appuyer sur
toute 1 a 1 argeur de 1 a bi el 1 ette contre 1 a t i ge d' anode 1 orsqu' on
écarte
les biellettes selon la position représentée à la figure 6A.
En revanche le rapprochement des biellettes tel que représenté à la figure
6B provoque le dégagement des traverses 22C, 22D et le desserrage de la
tige d'anode. A noter que l'axe de rotation 20 des biellettes étant fixe,
l'éloignement de la vis filetée à pas inverse de l'axe de rotation lors du
rapprochement des biellettes ne doit pas étre contrarié et pour ce faire,
il est nécessaire de prévoir aux extrémités libres des biellettes, des
orifices de forme oblongue au passage de la vis filetëe à pas inverse et
de ses écrous qui se déplacent en translation.
10
de ia poutre introduit une flèche. Si cette flèche est incompatible avec
la régulation de la cuve, on est conduit â réduire ce gradient thermique.
Un bon contrôle de la dilatation permet de simplifier les appuis du
portique sur le caisson si les dilatations sont semblables.
Pour cela on peut mettre en oeuvre l'une ou plusieurs des solutions
suivantes qui agissent sur les différents facteurs provoquant la flèche:
a) Matériau: il est possible, pour constituer la poutre, d'utiliser des
aciers au nickel qui présentent une dilatation inférieure de moitié à
celle de l'acier ordinaire.
b) Evacuation des calories par circulation d'air: les calories peuvent
être évacués par une circulation d'air à l'intérieur et/ou autour de la
poutre.
c) Evacuation des calories par Caloduc: des tubes fermés contenant un
fluide à la limite de la température de vaporisation sont placés au
contact de la partie inférieure de la poutre à une extrémité et à
l'extérieur de la cuve à l'autre extrémité. La chaleur de la partie
exposée de la poutre vaporise le liquide, ce gaz monte dans le tube et v
se condense dans la partie extérieure en libérant des calories.
d) Equilibrage des températures: un pont thermique peut être installé
entre la partie inférieure de la poutre et sa partie supérieure. I1
doit être constitué en matériau bon conducteur thermique tel que
1°aluminium.
e) Ecran thermique: un écran réfléchissant et/ou isolant thermique,
installé autour de la poutre, la protège du rayonnement thermique
occasionnel lors d'un changement d'anode.
L'invention, dans les différents modes de mise en oeuvre qui ont été
décrits, lève un des plus sérieux obstacles à la réalisation de cuves de
plus de 300 kA dont les avantages techniques et économiques sont très
attractifs.
