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CA 02361610 2001-08-O1
WO 00/46426 PCT/FR00/00232
CATIiODE GRAPHITE POUR L'ELECTROLYSE DE L'ALUMINIUM
La présente invention a pour objet une cathode graphite pour
l'électrolyse de l'aluminium.
Dans le procédé électrolytique utilisé dans la plupart des usines de
production d'aluminium, une cuve d'électrolyse comprend, dans un caisson
métallique gainé de réfractaires, une sole cathodique composée de plusieurs
blocs cathodiques juxtaposés. Cet ensemble constitue le creuset qui, rendu
étanche par de la pâte de brasque, est le siège de la transformation, sous
l'action du courant électrique, du bain électrolytique en aluminium. Cette
réaction a lieu a une température supérieure en général à 950°C.
Pour résister aux conditions thermiques et chimiques prévalant lors
du fonctionnement de la cuve et satisfaire à la nécessité de conduction du
courant d'électrolyse, le bloc cathodique est fabriqué à partir de matériau
carboné. Ces matériaux vont du semi-graphitique au graphite. Ils sont mis en
~ 5 forme par extrusion ou par vibrotassage après malaxage des matières
premières
~ soit un mélange de brai, d'anthracite calciné et/ou de graphite
dans le cas des matériaux semi-graphitiques et graphitiques. Ces matériaux
sont ensuite cuits à environ 1 200°C. La cathode graphitique ne
contient pas
2o d'anthracite. La cathode fabriquée à partir de ces matériaux est
communément appelée cathode carbone,
~ soit un mélange de brai, de coke avec ou sans graphite dans le
cas des graphites. Dans ce cas les matériaux sont cuits à environ
800°C,
puis graphitisés à plus de 2 400°C. Cette cathode est appelée cathode
25 graphite.
II est connu d'utiliser des cathodes carbone, qui cependant ont
des caractéristiques électriques et thermiques moyennes, ne convenant plus
aux conditions de fonctionnement des cuves modernes, notamment de forte
intensité de courant. La nécessité de réduire la consommation d'énergie, et la
3o possibilité d'augmenter l'intensité du courant, notamment dans des
installations existantes, a promu l'utilisation des cathodes graphite.
Le traitement de graphitisation de la cathode graphite, à plus de
2 400°C, permet l'augmentation des conductivités électrique et
thermique,
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créant ainsi les conditions suffisantes à un fonctionnement optimisé d'une
cuve d'électrolyse. La consommation d'énergie diminue en raison de la baisse
de la résistance électrique de la cathode. Une autre façon de profiter de
cette
baisse de résistance électrique consiste à augmenter l'intensité du courant
injecté dans la cuve, permettant ainsi une augmentation de la production
d'aluminium. La valeur élevée de la conductibilité thermique de la cathode
perrnet alors ('évacuation de l'excès de chaleur généré par l'augmentation
d'intensité. De plus, les cuves à cathode graphite apparaissent moins
instables électriquement, c'est-à-dire comportant moins de fluctuation des
i o potentiels électriques, que les cuves à cathodes carbone.
Toutefois, il s'est révélé que les cuves équipées de cathodes
graphite présentent une durée de vie plus faible que les cuves équipées de
cathodes carbone. Les cuves à cathodes graphite deviennent inutilisables par
un enrichissement trop élevé en fer de l'aluminium, qui résulte de l'attaque
de
l5 la barre _cathodique par l'aluminium. Le métal atteint fa barre par suite
de
l'érosion du bloc graphite. Bien qu'une érosion des cathodes carbone soit
également constatée, elle est beaucoup plus faible et n'altère pas la durée de
vie des cuves qui deviennent inutilisables pour d'autres causes que l'érosion
de la cathode.
2o Au contraire, l'usure des cathodes graphite est suffisamment
rapide pour devenir la première cause de mortalité des cuves d'électrolyse de
l'aluminium à un âge que l'on peut qualifier de précoce par rapport aux
durées de vie enregistrées pour les cuves équipées de cathodes carbone.
Ainsi on enregistre les vitesses d'usure suivantes pour les différents
25 matériaux
Cathode vitesse d'usure (mm/an~
Carbone, semi-graphitique 10-20
Carbone, graphitique 20-40
graphite 40-80
3p
La figure 1 du dessin schématique annexé montre un bloc
cathodique 3, avec les barres cathodiques d'amenée de courant 2, dont le
profil initial est désigné par la référence 4. Le profil d'érosion 5,
représenté en
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pointillés, montrè que cette érosion est accentuée aux extrémités du bloc
cathodique.
Le document FR 2 117 960 décrit une cathode pour l.a préparation
d'aluminium par électrolyse. Cette cathode est réalisée à partir de plusieurs
blocs en carbone semi-graphitique, de résistivités différentes les uns des
autres. Cette structure complexe en raison de la juxtaposition de blocs avec
la discontinuité électrique qu'elle entraîne, est justifiée non pas par une
diminution de l'érosion, puisque les cathodes de ce type ne sont pas
sensibles à l'érosion, mais par une diminution du gonflement de la sole dans
la zone centrale.
La vitesse d'érosion d'un bloc cathodique graphite est, par
conséquent, son point faible, et son attrait économique en terme de gain de
production peut disparaître si la durée de vie ne peut pas être augmentée.
Le calcul des densités de courant dans la cathode montre que
celles-ci sont plus élevées du côté de la sortie des barres cathodique. Ces
densités de courant sont d'autant plus élevées que la résistance électrique de
la cathode est faible. Ainsi le profil d'érosion de chaque cathode, et
notamment tes fortes usures observées aux extrémités des cathodes
correspondent aux zones de fortes densités de courant dans la cathode.
Le problème posé est donc de réduire l'érosion de cathodes en
graphite, notamment dans les zones d'extrémité de celles-ci.
Le but de l'invention est de fournir une cathode graphite dont la
durée de vie soit augmentée pàr limitation de l'érosion qui se produit aux
2 0 extrémités.
Ainsi, le but de l'invention, tel que revendiqué
est de fournir une cathode graphite pour électrolyse de
l'aluminium dont 1a résistance à l'érosion est améliorée,
caractérisée en ce qu'elle est monobloc et en ce que sa
résistivité électrique est hétérogène le long de son axe
longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les
zones d'extrémité de la cathode que dans la zone centrale
de celle-ci, la différence de résistivité dans les zones
d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode étant
30 obtenue par un traitement thermique différent dans ces
différentes zones lors de l'opération de graphitisation,
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3a
les zones d'extrémité étant à une température inférieure à
celle de la zone centrale.
A cet effet, dans la cathode selon l'invention, la cathode en
graphite est monobloc et sa résistivité électrique est hétérogène le long de
son axe longitudinal, cette résistivité étant plus élevée dans les zones
d'extrémité de fa cathode que dans la zone centrale de celle-ci.~ La
résistivité
moyenne du produit restera compatible avec un fonctionnement optimisé de
la cuve d'électrolyse. La plus forte résistivité dans ies zones d'extrémité de
la
cathode canalise les lignes de courant vers le centre de la cuve. De ce fait,
1o les fortes densités de courant habituellement enregistrées vers la sortie
des
barres cathodiques sont atténuées, inhibant ainsi le mécanisme d'érosion
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dans ces zones. La durée de vie de la cuve est donc augmentée. A titre
indicatif, les zones d'extrémité de la cathode peuvent être considérées
comme situées entre environ 0 et 800 mm à partir de chaque extrémité.
Suivant une possibilité, au cours de l'opération de graphitisation,
les zones d'extrémité de la cathode sont portées à une température de l'ordre
de 2 200-2 500 ° C, tandis que la zone centrale est portée à une
température
de l'ordre de 2 700 à 3 000°C.
Conformément à un premier mode de réalisation, la différence de
traitement thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la
7o cathode est obtenue en limitant le calorifugeage du four de graphitisation
et/ou en disposant des drains thermiques dans les zones d'extrémité des
cathodes, pour augmenter les déperditions thermiques.
Suivant un autre mode de réalisation, la différence de traitement
thermique dans les zones d'extrémité et dans la zone centrale de la cathode
15 est obtenue en créant, lors de l'opération de graphitisation, des
modifications
locales des lignes de courant et, par suite, de l'effet Joule qui en résulte.
II est possible d'associer ces deux phénomènes lors d'une même
opération de graphitisation.
Conformément à un mode de réalisation de la cathode selon
20 l'invention, dans le cas où l'opération de graphitisation est réalisée
simultanément pour plusieurs cathodes disposées parallèlement les unes aux
autres à l'intérieur d'un four, par exemple de type Acheson, dans lequel les
cathodes sont séparées les unes des autres par un garnissage de grain
résistor, par exemple des granulés de carbone ou de coke, la différence de
25 traitement thermique entre les zones d'extrémité et la zone centrale est
obtenue en modulant la résistivité du grain résistor entre deux cathodes et/ou
en disposant des drains thermiques, dans les zones d'extrémité.
De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la
description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant,
3o à titre d'exemples non limitatifs, plusieurs installations pour l'obtention
d'une
cathode selon l'invention
Figure 1 est une vue d'une cathode, avec indication plus
spécifique de l'érosion de celle-ci après un certain temps de fonctionnement ;
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Figures 2 à 4 sont trois vues, respectivement, de dessus, de face
et de côté d'un four de graphitisation de type Acheson ;
Figures 5 à 7 sont trois vues, respectivement, de dessus, de face
et de côté d'un four de graphitisation de type longitudinal.
5 Les figures 2 à 4 montrent un four 6 de type Acheson, dans lequel
un certain nombre de cathodes 3 sont disposées parallèlement les unes aux
autres, sur plusieurs rangées, avec interposition entre les différentes
cathodes
d'un grain résistor 7. Ce grain résistor peut être constitué, par exemple par
des granulés de carbone ou de coke. L'ensemble est disposé à l'intérieur d'un
grain calorifuge 8. De l'énergie électrique est injectée à l'intérieur du
four,
pour réaliser l'opération de graphitisation, l'échauffement résultant de
l'effet
Joule. Dans un four de ce type, les lignes de courant sont perpendiculaires à
l'axe des cathodes 3. Pour réaliser un échauffement moindre dans les zones
d'extrémité des cathodes 3, la résistivité du grain résistor est plus élevée
dans les zones 9 correspondant aux zones d'extrémité des cathodes 3, que
celle de ce grain résistor dans la zone 10 correspondant à la partie centrale
dès cathodes. II est également possible de réduire l'épaisseur du grain
calorifuge 8 dans les zones d'extrémité des cathodes, pour favoriser le
phénomène de limitation de la température de graphitisation dans ces zones
2o d'extrémité par déperdition thermique.
La figure 5 représente un four longitudinal 1 1 dans lequel plusieurs
cathodes 3 sont disposées bout à bout, avec interposition entre deux
cathodes voisines d'un joint de graphitisation 12. Les joints de
graphitisation
sont aussi peu résistifs que possible pour éviter un échauffement indésirable
à la jonction entre les cathodes. En outre, des déperditions thermiques
matérialisées par des flèches sont créées dans les zones d'extrémité des
cathodes, en prévoyant une épaisseur de calorifuge 8 plus faible, et/ou la
présence de drains thermiques qui peuvent être en graphite et positionnés
perpendiculairement aux cathodes, en regard des zones à refroidir.
3o Comme il ressort de ce qui précède, l'invention apporte une
grande amélioration à la technique existante en fournissant une cathode de
structure traditionnelle, et obtenue par des moyens connus, possédant une
résistivité plus élevée dans ses zones d'extrémité que dans sa zone centrale,
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permettant ainsi de diminuer la densité de courant dans la cathode à ses
extrémités, et d'augmenter la résistance à l'érosion dans ces zones
d'extrémité.
