Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02358368 2001-10-04
I
ilNITF DE COLLECTE DE NETTOYAGE ET DE C i TRRAGF i~F
D'ÉLECTROLYSE MISE EN ~LTVRF p0 1R i A PRODLIf'TT(1N
D'ALI
L'invention concerne le domaine de la production d'aluminium par électrolyse
ignée,
et plus particulièrement la gestion de certaines étapes du fonctionnement de
telles
installations.
Elle concerne plus particulièrement une unité de collecte des parties solides,
en
1o suspension ou non dans le bain d'électrolyse, et notamment des blocs
d'anodes
dégrafés de la tige sur laquelle elles sont fixées, mais également de
nettoyage et de
calibrage de l'orifice laissé vacant par l'anode remplacée.
De manière connue, la production d'aluminium par électrolyse ignée met en
aeuvre
l'électmlyse de l'aluminium dans un bain de çryolithe fondu selon la réaction
AlzO, + 2è + Na3[AlF6 J ~ 2 Al + 302+ 3C ~ 3C02 + F
Alumine cryolithe
Cette réacüon met en aeuvre un bain en fusion comprenant un mélange de
cryolithe et
2o d'alumine, et dont la température est généralement supérieure à
800°C. Compte-tenu
des énergies mises en oeuvre et afin de limiter au maximum les pertes
inhérentes aux
phases de redémarrage, les installations mettant en oeuvre cette technologie
fonctionnent en général en continu, au niveau de séries de cuves d'aluminium,
dont
le nombre et les dimensions sont fonction d'une part, de l'ampérage disponible
du
25, courant électrique continu alimentant les cuves, et d'autre part, de la
quantité de
production souhaitée.
Régulièrement, il convient de procéder au remplacement des différentes anodes,
le
plus souvent réalisées en carbone, au niveau de chacune des cuves, sans pour
autant
3o arrêter la réaction d'électrolyse.
De par le procédé mis en oeuvre, à savoir l'électrolyse ignée, il se forme à
la surface
supérieure du bain une croûte dure de cryolithe fluorée et d'alumine, cette
croûte
présentant l'avantage de conserver la chaleur au sein du bain et donc de
constituer
35 une enveloppe calorifuge. De fait, l'extraction des anodes usées hors du
bain
nécessite en premier lieu la rupture de cette croûte. Cette rupture engendre
la
formation de morceaux ou parties solides surnageant ou en suspension dans le
bain
d'électrolyse, et qu'il est nécessaire de collecter au moyen d'un outil
traditionnellement dénommé « pelle ».
CA 02358368 2001-10-04
2
Cette pelle doit également préparer l'espace, et les conditions nécessaires à
l'introduction d'une anode neuve en lieu et place de l'anode usée à remplacer.
Cette
préparation consiste également à calibrer l'espace nécessaire à la mise en
place d'une
telle anode neuve. En effet, l'érosion de la section généralement
rectangulaire du
carbone constitutif de l'anode, induit de fait Ia réduction de ladite section
par rapport
à une anode neuve, notamment du fait de la disparition progressive des parties
angulaires, qui deviennent arrondies.
Cette transformation est inhérente à la consommation du carbone constitutif
des
1o anodes, par le processus d'électrolyse mis en oeuvre. L'espace ainsi dégagé
entre les
blocs de carbone constitutifs des anodes est occupé par du bain qui se
solidifie en
surface et forme la crotte précitée, dont la rupture est nécessaire pour
permettre
d'une part, le retrait de l'anode usée, et d'autre part, la mise en place
d'une nouvelle
anode.
Ainsi, lors de l'enlèvement de l'anode usée, les croûtes qui adhérent à celles-
ci sont
préalablement brisées au moyen d'un outil approprié, appelé piqueur de croûte,
et des
morceaux de croûte plus ou moins gros, tombent dans le bain, flottent à la
surface de
celui-ci et partant, empêchent la mise en place d'une anode neuve.
Par ailleurs, des blocs de carbone plus ou moins volumineux, peuvent également
flotter dans le bain, suite à l'opération d'arrachage proprement dit de
l'anode.
Enfin, sur la surface de Ia cathode, c'est à dire le fond de la cuve, se
déposent des
boues provenant du bain électrolytique, que l'on souhaite enlever car celles-
ci
augmentent la résistance électrique et partant, réduisent le rendement de
production
de la cuve.
La pelle remplit donc une fonction de collecte d'une part, de nettoyage
d'autre part,
3o et enfin de calibrage. Afin d'assurer ces différentes fonctions, il est
connu de mettre
en oeuvre des godets articulés, dont l'actionnement induit Ie rapprochement de
leurs
lèvres ménagées au niveau de leur bord libre, et partant, la constitution
d'une pelle.
Or, ces godets sont articulés sur un châssis, de sorte que l'actionnement de
l'embiellage traditionnellement mis en oeuvre pour assurer la fermeture des
godets,
induit le rapprochement des deux lèvres l'une de l'autre, ces dernières
décrivant un
arc de cercle dont la concavité est dirigée vers le haut.
CA 02358368 2001-10-04
3
Comme les lèvres sont destinées à assurer un raclage doux du fond de la cuve,
c'est à
dire de la cathode, et compte-tenu en outre du poids des godets, de leur
mécanisme
d'actionnement, et de manière générale du poids de la pelle, ce mouvement
circulaire
est susceptible de détériorer cette cathode et partant, la cuve elle-même.
De fait, et afin d'éviter une telle détérioration, le positionnement en
altitude des
pelles traditionnelles est choisie de telle sorte que lorsque le godet est
fermé, les
lèvres affleurent le fond de la cathode. En d'autres termes, les lèvres ne
peuvent
assurer un raclage efficace du fond de la cuve qu'au seul niveau de leur zone
de
1o fermeture, si bien qu'à Ia longue, il est nécessaire de vidanger les cuves
pour assurer
un nettoyage effectif de celle-ci, se traduisant donc pas un arrêt de
l'installation, faute
de quoi, on aboutit à une baisse significative du rendement desdites
installations.
Par ailleurs, la pelle étant destinée à fonctionner en milieu hostile et
agressif
(température du bain électrolytique voisine de 800 °C, vapeurs fluorées
très acides,
etc..), il n'est pas concevable de faire appel à des capteurs pour gérer Ia
course de la
pelle en altitude, en fonction du degré de fermeture des godets.
L'objet de l'invention est de s'affranchir de ces inconvénients. Elle vise une
unité de
2o collecte, de nettoyage et de calibrage des cuves d'électrolyse, et plus
précisément des
orifices anodiques lors du remplacement des anodes, qui permet tout à la fois
d'assurer un calibrage de ces orifices, la collecte des déchets inhérents à la
rupture de
la croûte qui se constitue à la surface du bain, et par ailleurs, et le
nettoyage du fond
de la cuve par raclage.
Cette unité comprend deux godets articulés au niveau de l'extrémité inférieure
d'un
châssis, mobile en translation verticale, le bord libre de chacun desdits
godets étant
susceptible d'être animé d'un mouvement circulaire au moyen d'un embiellage de
fermeture et d'ouverture.
Selon l'invention, l'unité comprend un premier châssis, solidarisé à un mât à
translation verticale, dénommé châssis support de pelle, et un second châssis,
dénommé châssis support des godets, relié mécaniquement audit châssis support
de
pelle, et susceptible de se translater par rapport à celui-ci, ledit châssis
support des
godets intégrant l'embiellage de fermeture et d'ouverhare des godets, lesdits
godets
étant articulés à l'extrémité inférieure de ce châssis.
CA 02358368 2001-10-04
4
En d'autres termes, l'invention consiste à adjoindre au support traditionnel
des outils
proprement dits constitutifs de la pelle, un châssis lié audit support, mais
néanmoins
mobile par rapport à celui-ci, cette mobilité étant destinée à permettre la
réalisation
d'un mouvement simultané avec l'opération de fermeture des godets, et propre à
compenser le mouvement circulaire des lèvres desdits godets, de telle sorte à
conférer
aux lèvres, un mouvement sensiblement rectiligne, parallèle au plan du fond de
la
cuve.
Ce faisant, on conf'ere à la pelle l'une des fonctions pour laquelle elle est
requise, à
1o savoir l'opération du raclage du fond de cuve.
Selon une caractéristique de l'invention, l'embiellage de fermeture des godets
comprend une bielle de transmission d'efforts, dont l'une des extrémités est
arkiculée
directement ou indirectement sur lesdits godets, afin de conférer à leur bord
inférieur
libre un mouvement circulaire lors de la fermeture de la pelle, et dont
l'autre
extrémité est articulée sur une bielle rotative, elle-même articulée sur le
châssis
support des godets, ladite bielle rotative étant reliée mécaniquement au
châssis porte-
pelle au moyen d'une bielle de compensation, et étant par ailleurs actionnée
en
rotation au moyen d'un vérin d'actionnement, dont le point d'application est
2o solidaire du châssis support des godets.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on sous-dimensionne le
vérin
d'actionnement au moyen d'un ressort taré, prenant appui sur le châssis porte-
pelle,
et susceptible de reprendre au niveau du corps du vérin, une partie des
efforts, et
notamment la compensation de la masse constituée par l'ensemble mobile, c'est
à
dire l'embiellage de fermeture des godets et les godets eux-mêmes. Ce ressort
peut
être remplacé par un organe équivalent, tel que par exemple un contrepoids
guidé
associé à un câble et une poulie de renvoi.
3o La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en
découlent
ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre
indicatif et non
limitatif à l'appui des figures annexées.
La figure 1 est une représentation schématique vue de face d'une installation
de
production d'aluminium par électrolyse ignée, sur laquelle on a représenté
(unité de
collecte et de nettoyage conforme à l'invention, en position non
opérationnelle.
La figure 2 est une vue latérale plus détaillée de ladite unité, toujours en
position
non-opérationnelle.
CA 02358368 2001-10-04
La figure 3 est une vue analogue à la figure 2, mais l'unité de collecte étant
en
position opérationnelle.
Les figures 4, 5 et 6 sont des représentations schématiques de détail de
ladite unité,
les godets étant respectivement en position complètement ouverte,
intermédiaire et
5 complëtement fermée.
On a représenté au sein de la figure 1, une vue schématique vue de face, du
hall (1)
d'une installation de production d'aluminium, mettant en oeuvre la technologie
dite
de l'électrolyse ignée.
1o
On a représenté par la référence (7), le front d'une série de cuves
d'électrolyse,
sensiblement identiques les unes aux autres, et bien évidemment montées en
série,
afin de pennet4re Ia réalisation du processus de l'électrolyse proprement
dite. Ces
cuves sont surmontées d'un chemin de roulement (3), sur lequel est susceptible
de se
déplacer un pont roulant (2), destiné de manière connue, à permettre le
déplacement
d'un certain nombre d'outils propres à permettre le fonctionnement de
l'installation.
Il est notamment destiné à permettre le déplacement selon une direction
perpendiculaire à la direction de progression du pont, d'un chariot (4),
reposant sur le
2o pont (2), ledit chariot portant un outil destiné à permettre Ie nettoyage
de chacune des
cuves, et la préparation de celles-ci lors des phases de remplacement des
anodes
usées au niveau desdites cuves.
Dans le langage traditionnel utilisé dans le domaine considéré, cet outil est
dénommé
« pelle ».
Sur la figure 1, on a représenté par la référence générale (6) la pelle
proprement dite,
en position escamotée, c'est à dire non opérationnelle.
3o En relation avec les figures 2 et 3, dans lesquelles l'outil est représenté
en position
latérale, on a matérialisé la pelle (6) respectivement en position escamotée,
donc non
opérationnelle, et en position opérationnelle.
Ainsi qu'on peut l'observer, cet outil est monté sur un mat télescopique (5),
si la
course de la pelle le nécessite, ledit mât étant actionné au moyen d'un
système de
levage électro-mécanique, hydraulique ou pneumatique (32). Ce mât télescopique
(5)
est solidaire du chariot (4), et fonctionne en association avec des organes
codeurs
(non représentés), propres à déterminer de maniëre précise l'altitude de la
pelle, et
notamment des godets (16, 17) qui la constituent.
CA 02358368 2001-10-04
6
En effet, ainsi que déj à mentionné en préambule de la présente invention, il
convient,
au moyen de cet outil, de, remplir un certain nombre de fonctions, mais
cependant,
d'éviter l'altération de la cathode constituée par le fond des cuves
électrolyse. On
doit donc disposer en permanence de la hauteur effective desdits godets, d'une
part
lors de l'approche de la pelle (6) au niveau de l'ouverture supérieure des
cuves,
définissant une zone d'introduction, et d'autre part, lorsque les godets sont
situés à
l'intérieur desdits cuves.
A l'extrémité du mat télescopique (5) est solidarisé un premier châssis (10),
1o dénommé châssis porte pelle. Selon une caractéristique de l'invention, ce
châssis
(10) est associé à un châssis (11), dénommé par la suite, châssis support des
godets,
au moyen de deux biellettes, respectivement (12) et (13), positionnées dans
l'exemple décrit, à l'extrémité inférieure et supérieure desdits châssis.
Ces biellettes sont articulées respectivement au niveau du châssis (10) et
(11), selon
des axes d'articulation paralléles entre eux.
Elles sont destinées à permettre un mouvement relatif du châssis support des
godets
(11) par rapport au châssis porte-pelle (10), ainsi que cela sera décrit de
manière
2o beaucoup plus détaillée ci-après.
Ainsi qu'on peut l'observer sur les figures 2 et 3, l'extrémité du châssis
support des
godets (11) reçoit les deux godets (16) et (17), constitutifs de la pelle (6)
proprement
dite, et dont l'écartement maximum, tel que représenté en figure 3, correspond
sensiblement à l'encombrement généré par une anode neuve.
Une telle anode a été représentée sur les figures 2 et 3 par la référence
(20). La tige
(21) de l'anode est fixée au cadre anodique (33), alimentant de manière connue
lesdits anodes en électricité; moyen de connecteurs (non représentés). Les
anodes
(20) s'usent au cours du processus électrolytique, nécessitant de fait leur
remplacement périodique.
On a représenté en relation avec les figures 4, 5 et 6 les différents organes
entrant
dans la constitution de la pelle (6) ainsi que leur mode de fonctionnement.
Tout d'abord, il convient de préciser que les godets (16) et (17) sont chacun
articulés
sur le châssis support des godets (11), au niveau d'un axe d'articulation
(30). De la
sorte, le bord (31) constituant lèvre, de chacun des godets, est susceptible
de par cette
articulation, de décrire un mouvement circulaire par rapport audit axe (30).
CA 02358368 2001-10-04
Pour ce faire, un embiellage de fermeture (14}, relié par le biais d'une
bielle (23)
articulée au niveau d'un axe d'articulation (15) à une bielle rotative
d'actionnement
(18), permet d'assurer le mouvement de chacun des godets (16) et (17), ainsi
qu'on
peut bien l'observer en liaison avec les figures 4 à 6.
En d'autres termes, l'embiellage de fermeture est constitué d'une part, par la
bielle
intermédiaire (23), et d'autre part, par deux biellettes (14, 14'), articulées
respectivement sur les godets (16) et (17), et à l'extrémité inférieure de la
bielle
intermédiaire (23). Dans l'exemple décrit, la biellette (14') est de forme
arquée, afin
1o de tenir compte des obstacles qu'elle est susceptible de rencontrer durant
sa course.
L'autre extrémité de la bielle intermédiaire (23) est articulée par un axe
d'articulation
(22) sur la bielle rotative d'actionnement (18) présentant un profil
particulier.
En effet, cette bielle présente une forme sensiblement triangulaire et
présente
notamment trois branches, à l'extrémité desquelles sont articulés trois
organes
différents. Ainsi que déjà mentionné, à l'extrémité de la première branche est
articulée l'extrémité de la bielle intermédiaire (23) agissant sur
l'embiellage de
fermeture ( 14).
La branche opposée reçoit l'extrémité libre de la tige d'un vérin d'activation
(25),
articulée sur un axe d'articulation (24) ménagé â l'extrémité de ladite
branche. Le
vérin (25) est destiné à assurer la rotation de la bielle rotative
d'activation (18), par
rapport à son axe d'activation (19). Cet axe (19) est solidaire du châssis
support des
godets (11}. Le point d'application de ce vérin est solidaire du châssis
support des
godets (11).
En outre, afin de limiter le dimensionnement des organes constitutifs du vérin
(25),
compte tenu des efforts à réaliser d'une part, et du poids des deux godets
(16) et (17)
3o et de l'embiellage de fermeture (14, 14', 23) d'autre part, on lui associe
un ressort
taré (29), reposant sur le châssis porte-pelle (10), et solidarisé au corps
dudit vérin
(25). Plus précisément, le ressort (29) est monté sur une rotule (34),
solidaire du
châssis porte-pelle (10). De la sorte, il est possible au ressort de basculer,
pour suivre
la course du corps du vérin, celui-ci pivotant également compte tenu de sa
solidarisation â l'extrémité de l'une des branches de la bielle rotative (18).
On peut
tout particulièrement bien observer ce mouvement de basculement sur les
figures 4 à
6, en fonction du degré de rotation de ladite bielle (18). De fait, l'action
du ressort
(29) est toujours optimum.
CA 02358368 2001-10-04
ô
Le vérin (25) est actionné au moyen d'une source pneumatique d'air comprimé
(non
représentée) s'étendant à l'intérieur du mat télescopique (5).
Enfin, à l'extrémité libre de la troisième branche de la bielle rotative
d'activation
(18), s'étendant sensiblement perpendiculaire aux deux premières, vient
s'articuler
sur un axe (26) une bielle dite de compensation (27), dont l'autre extrémité
vient
s'articuler sur un axe (28) ménagé sur le châssis porte-pelle (10).
II va être décrit plus en détail le mode de fonctionnement de cette pelle,
conformément à l'invention.
En figure 4, les godets (16, 17) sont en position ouverte maximum. Selon cette
configuration, le plan contenant la lèvre (31) du dit godet (17) s'étend
sensiblement
perpendiculairement par rapport au fond de la cathode, c'est à dire de la
cuve.
La course du vérin d'activation (25) est alors maximum et, corollairement,
l'embiellage de fermeture (14, 14', 23) a atteint son niveau de sa course
minimum
inférieure.
2o Parallèlement, les deux bielles (12) et (13), solidarisant le châssis
support des godets
(11) au châssis porte-pelle (10) sont sensiblement horizontales.
Lorsque l'on active le vérin activateur (25), on engendre une rotation de la
bielle
rotative d'activation (18) selon le sens des aiguilles d'une montre, sur la
figure 5,
provoquant tout d'abord, un commencement de remontée de la bielle
intermédiaire
(23), et partant de l'embiellage de fermeture (14, 14') vers le haut, se
traduisant par
un. début de fermeture des godets. Corollairement, cette action induit la
rotation dans
Ie sens trigonométrique de la bielle de compensation (27), jusqu'à atteindre
sa
hauteur maximum représentée en figure 5.
Compte tenu de l'articulation de ladite bielle de compensation (27) sur le
châssis
porte-pelle (10), cette rotation engendre une translation vers le haut du
châssis
support des godets (11), ainsi que cela se matérialise sur la figure 5 par
l'inclinaison
des bielles (12} et {13) de solidarisation dudit châssis support des godets
(11) sur le
châssis porte-pelle (10).
CA 02358368 2001-10-04
9
Cette translation vers le haut du châssis support des godets (11) engendre
corollairement la remontée de la lèvre (31) des godets (16) et (17). De sorte
que
nonobstant la course circulaire desdites lèvres, on peut aboutir à un
déplacement de
celle-ci selon un plan horizontal, sensiblement parallèle au fond de la cuve,
en jouant
sur la compensation exercée par le déplacement relatif du châssis support des
godets
(11) par rapport au châssis porte-pelle (10).
Lorsque la course du vérin (25) est terminée (figure 6), les deux godets (16)
et (17)
viennent au contact l'un de l'autre, notamment au niveau de leur lèvre
respective
(31), assurant ainsi la fermeture de la pelle, et parallèlement, la fin de la
rotation de la
bielle de compensation (27) dans le sens trigonométrique, cette fin étant
inhérente à
la fin de course possible de la tige dans le vérin (25). Corollairement,
compte tenu de
la course impartie à ladite bielle de compensation (27), une légère redescente
desdits
godets, et partant des lèvres (31) est assurée.
1s
Compte-tenu du profil particulier des godets, on compense ainsi l'ara de
cercle de
concavité dirigée vers le haut, décrit par lesdites lèvres (31), par un
mouvement
inverse du châssis support des godets (11), de telle sorte à conférer en
résultat final
une progression relativement plane desdites lèvres (31 ) lors de la fermeture
de la
2o pelle (6), et ce, au moyen de la bielle de compensation (27).
Bien évidemment, les dimensions de ces différentes bielles sont fonction du
profil
particulier des godets, et des dimensions respectives des cuves.
25 Cela dit, ces dimensions, une fois le principe établi, sont parfaitement
déterminables
par l'homme du métier.
Par ce biais, la pelle assure la fonction qui lui est assignée, à savoir
notamment la
collecte des différents débris et autres morceaux provenant des anodes ou de
la croûte
30 supérieure du bain, sans altérer la cathode, c'est à dire le fond de la
cuve, tout en
permettant un raclage doux de celle-ci.
Ce résultat est obtenu au moyen d'un dispositif simple à mettre en oeuvre et
relativement rustique, permettant notamment de résister aux contraintes
mécaniques
35 et techniques dans un environnement hostile dans lesquels ils sont destinës
â
fonctionner.
