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CA 02488362 2004-12-02
WO 2004/007807 PCT/FR2003/002134
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INSTALLATION DE PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR ELECTROLYSE
IGNEE
Domaine de l'invention
L'invention concerne les usines de production d'aluminium par électrolyse
ignée
selon le procédé de Hall-Héroult. Elle concerne tout particulièrement les
appareils de
manutention utilisés dans lesdites usines.
Etat de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir
par
électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain
d'ëlectrolyse, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain
d'électrolyse est
contenu dans des cuves comprenant un caisson en acier, qui est revêtu
intérieurement
de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au
fond de la
cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain
d'électrolyse. Chaque cuve et ses anodes formént ce qui est souvent appelé une
cellulë d'électrol~se. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain
d'électrolyse et
la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments
cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également
de
maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950 °C
par effet Joule.
Les usines contieiment un grand nombre de cellules d'électrolyse disposées en
ligne,
dans des bâtiments appelés halls ou salles d'électrolyse, et raccordées
électriquement
en série à l'aide de conducteurs de liaison, de façon à optimiser l'occupation
au sol
des usines. Les cellules sont généralement disposées de manière à former deux
ou
plusieurs files parallèles qui sont électriquement liées entre elles par des
conducteurs
d'extrémité. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à
la
suivante.
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En fonctionnement, une usine d'électrolyse nécessite des interventions sur les
cellules
d'électrolyse parmi lesquelles figurent notamment le remplacement des anodes
usées
par des anodes neuves, le prélèvement de métal liquide des cellules et les
prélèvements ou ajouts d'électrolyte. Les usines les plus modernes sont
équipées
d'une unité de levage et de manutention (souvent désignée par l'expression
« portique » ou « pont roulant ») qui peut être translatée au-dessus des
cellules
d'électrolyse, et le long de celles-ci, et qui est munie de plusieurs organes
(souvent
appelés « outils ») de manutention et d'intervention, tels que des pelles et
des palans.
Bien que les ponts mobiles présentent de nombreux avantages pour les
interventions
sur les cellules d' électrolyse, la demanderesse a noté que leur caractère
multi-
fonctionnel conduisait à une sous-utilisation des différents moyens dont ils
sont
dotés, ce qui grève inutilement les coûts de fonctionnement.
La demanderesse a donc recherché des moyens pour réduire les coûts
d'investissement et de fonctionnement des installations connues.
Description de l'invention
L'invention a pour objet une installation d'électrolyse, destinée à la
production
d'aluminium pax électrolyse ignée, comprenant un hall, une pluralitë de
cellules
d'électrolyse disposées en file à l'intérieur du hall, une voie de circulation
(également appelée « allée de service ») parallèle à ladite file de cellules
et située à
l'intérieur du hall, et au moins une première unité de levage et de
manutention
mobile, dénommée « pont roulant », qui repose sur un premier chemin de
roulement
parallèle à l' axe principal de la file et qui est apte à être déplacée au-
dessus de ladite
file de cellules sur ledit premier chemin de roulement.
L'installation selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend, en
outre, au
moins une deuxième unité de levage et de manutention mobile, dénommée «
portique
latéral », et un deuxième chemin de roulement parallèle à l'axe principal de
la file et
indépendant du premier chemin de roulement, en ce que ladite deuxième unité
repose
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sur ledit deuxième chemin de roulement et est apte à être déplacée, au-dessous
du
premier portique, le long de ladite file de cellules d'électrolyse, sur ledit
deuxième
chemin de roulement, de manière à ce que les deux unités de levage et de
manutention puissent être déplacées indépendamment, et en ce que ladite
deuxième
unité est apte à lever et à manutentionner des poches de métal liquide et/ou
des
poches de bain liquide.
Dans sa recherche de solution au problème posé, la demanderesse a eu en effet
l'idée
de séparer les organes (ou « outils ») de manutention et de levage en fonction
des
exigences de déplacement de chaque intervention sur les cellules. Plus
précisément,
la demanderesse a eu l'idée de séparer les interventions qui nécessitent des
déplacements desdits outils sur une grande partie de la surface du hall
d'électrolyse,
telles que les changements d'anode, de celles qui se limitent à des zones
nettement
plus spécifiques du hall, telles que les prélèvements de métal liquide qui ne
requièrent que des déplacements sur une bande relativement étroite le long
d'une des
extrémités des cellules.
La demanderesse a également eu l'idée d'équiper le hall d'au mbins une
deuxième
unité de levage et de manutention, indépendante de la première et circulant
sous
celle-ci, et de la spécialiser aux interventions qui ne requièrent qu'une
mobilité le
long des extrémités des cellules. Les deux unités peuvent passer l'une au-
dessus de
l'autre afin de permettre des mouvements de l'une indépendants de ceux de
l'autre.
L'invention a aussi pour objet l'utilisation de l'installation d'électrolyse
selon
l'invention pour la production d'aluminium.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'une installation d'électrolyse
selon
l'invention pour la production d'aluminium.
L'invention a encore pour objet une usine de production comprenant au moins
une
installation d'électrolyse selon l'invention.
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L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures et de la description
détaillée qui
suit.
La figure 1 illustre une installation d'électrolyse pour la production
d'aluminium de
l'art antérieur.
La figure 2 illustre une installation d'électrolyse pour la production
d'aluminium
selon l'invention.
La figure 3 illustre une variante de l'installation d'électrolyse pour la
production
d'aluminium selon l'invention.
La figure 4 illustre un mode de réalisation d'une unité de lévage et de
manutention
latérale d'une installation d'électrolyse pour la production d'aluminium selon
l'invention.
La figure 5 illustre les limites de déplacement typiques de l'unité de levage
et de
manutention latérale selon l'invention.
La figure 6 illustre une unité de levage et de manutention latérale d'une
installation
d'électrolyse pour la production d'aluminium selon l'invention dans une
position de
prélèvement de métal liquide.
Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent une
zone de production d'aluminium liquide qui comprend un ou plusieurs halls
d'électrolyse (1). Ces halls abritent des cellules d'électrolyse (2) qui sont
disposées en
rangées ou files sensiblement linéaires, chaque file comportant typiquement
plus
d'une centaine de cellules. Chaque hall abrite typiquement une ou deux files
de
cellules d'électrolyse.
Les usines sont également parcourues par des voies de circulation destinées,
notamment, au transport des équipements, des anodes et de l'aluminium liquide.
En
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particulier, les halls d'électrolyse (1) sont desservis par des voies de
circulation
externes disposées autour de ceux-ci et des moyens d'accès (4, 5) aptes à
permettre
l'entrée et la sortie de véhicules motorisés (16).
5 Chaque hall comporte généralement au moins une voie de circulation interne
(15),
appelée « allée de service », qui est parallèle à la file de cellules. Cette
allée permet
la circulation de véhicules motorisés (16) et des opérateurs (17) et le
stockage
temporaire de matériels (tels que des anodes) ou d'appareils. L'allée de
service (15)
est généralement surélevée par rapport au sol (3), ce qui nécessite des rampes
d'accès
(5) entre l'allée et les voies de circulation périphériques.
Tel qu'illustré à la figure 1, un hall d'électrolyse (1) comprend typiquement
une
chàrpente (6), généralement métallique, et un bardage de bâtiment (7), et au
moins
une unité de levage et de manutention (ou « pont roulant ») (8) pour effectuer
des
opérations sur les cuves.
Le pont roulant (8) comporte une traverse (9) et au moins un chariot (10, 11)
(typiquement deux) apte à être déplacé le long de la traverse. Chaque chariot
( 10, 11 )
est typiquement muni de moyens de levage (12) et/ou d'outils (13) (tels qu'une
pelle). Le pont roulant (8) repose et circule sur un chemin de roulement (14),
qui
comprend typiquement deux moyens de cheminement (14a, 14b), tels que des
rails,
disposés parallèlement l'un à l'autre et à l'axe principal A du hall (et de la
file de
cellules). Les moyens de cheminement (14a, 14b) permettent en gënéral de
guider le
dëplacement du pont roulant (8). Le chemin de roulement (14) est typiquement
entièrement surélevé par rapport au niveau de l'allée de service (15). Les
moyens de
cheminement (14a, 14b) correspondants sont typiquement fixés à la charpente
(6) du
hall. Le pont roulant (8) peut normalement être déplacé d'une extrémité à
l'autre du
hall, le long de l'axe principal A de celui-ci. Les déplacements combinés de
la
traverse (9) le long du hall et des chariots (10, 11) le long de la traverse
donnent
généralement accès à l'ensemble des cellules d'électrolyse (2) et de l'allée
de service
(15).
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Le pont roulant (8) est typiquement apte à effectuer des opérations telles
qu'un
changement d'anode, le remplissage des trémies d'alimentation en bain broyé et
en
A1F3 des cellules d' électrolyse, et le levage et la manutention des éléments
de cuves.
Selon l'invention, l'installation d'électrolyse, destinée à la production
d'aluminium
par électrolyse ignée, comprenant un hall (1), une pluralité de cellules
d'électrolyse
(2) disposées à l'intérieur du hall (1) de façon à former au moins une file
ayant un
axe principal A, une allée dite « de service » (15) parallèle à ladite file de
cellules et
située à l'intérieur du hall (1), et au moins une première unité de levage et
de
manutention mobile (8), dénommée « pont roulant », reposant sur un premier
chemin
de roulement (14) parallèle à l'axe principal A de la file et apte à être
déplacée au-
dessus de ladite file de cellules sur ledit premier chemin de roulement, est
caractérisée en ce qu'elle comprend en outre au moins une deuxième unité de
levage
et de manutention mobile (20), dénommée « portique latéral », et un deuxième
chemin de roulement (21) parallèle à l'axe principal A de la file et
indépendant du
premier chemin de roulement (14), en ce que ladite deuxième unité (20) repose
sur
ledit deuxième chemin de roulement (21) et est apte à étre déplacée sur ledit
deuxième chemin de roulement (21), aû-dessous de la première unité (8) et le
long de
ladite file de cellules d'électrolyse (2), de manière à ce que les deux unités
de levage
et de manutention puissent être déplacées indépendamment, et en ce que ladite
deuxième unité (20) est apte à lever et à manutentionner des poches de métal
liquide
(également appelées « poches de coulée ») et/ou des poches de bain liquide
(également appelées « poches à bain »).
Les poches de métal liquide servent à prélever du métal liquide d'une cellule
d'électrolyse. De manière similaire, les poches de bain liquide servent à
prélever du
bain d'électrolyte liquide d'une cellule d'électrolyse. La capacité de levage
du
portique latéral (20) est typiquement d' au moins 10 tonnes afin de permettre
le
levage et la manutention des poches pleines.
De manière avantageuse, le portique latëral (20), qui est principalement
destiné au
levage et à la manutention des poches de métal liquide ou des poches de bain
liquide,
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peut éventuellement être apte à positionner lesdites poches pour le
prélèvement des
liquides d'une cellule d'électrolyse. Il peut optionnellement être apte, en
outre, à
lever et manutentionner d'autres éléments et matériels placés dans l'allée de
service
(15).
Le portique latéral (20) peut typiquement être déplacé (ou « translaté »)
d'une
extrémité à l'autre du hall (1). Afin de pouvoir permettre le « croisement »
du pont
roulant (8) et du portique latéral (20), la hauteur totale H de ce dernier est
typiquement inférieure à la hauteur Hm du niveau inférieur du pont roulant
(8).
Le portique latéral (20) comprend des moyens de roulement (22a, 22b) aptes à
circuler sur ledit deuxième chemin de roulement (21). Le portique latéral (20)
comprend typiquement au moins une poutre transversale (23, 23a, 23b) qui est
de
préférence sensiblement horizontale et perpendiculaire à l'axe principal A.
Le portique latéral (20) est équipé d'un chariot (25) apte à se déplacer dans
une
direction de préférence sensiblement perpendiculaire à l'axe principal A de la
file de
cellules. Le chariot (25) se dëplace typiquement le long d'au moins une poutre
transversale (23, 23a, 23b).
La zone d'intervention du portique latéral (20) se limite essentiellement à la
surface
de l'allée de service (15) et à l'extrémité de service (18) des cellules
d'électrolyse
(2). Les opérations de levage et manutention qui requièrent un accès dans la
zone
située au-dessus des cellules d'électrolyse peuvent être assurées par le pont
roulant
(8). De préférence, le débattement L du chariot (25) est limité à une valeur
égale ou
inférieure à la largeur Lo de l'allée de service (15). Le terme « débattement
» désigne
l'extension maximale des déplacements possibles de l'axe principal B du
chariot
dans une direction transversale à l'axe principal A la file de cellules
d'électrolyse.
Ledit débattement est de préférence tel que l'axe vertical principal B du
chariot (25)
surplombe uniquement l'allée de service, quelle que soit la position dudit
chariot. En
d'autres termes, le débattement L du chariot (25) s'étend, de préférence, au
plus
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jusqu'au bord extérieur (15a) de l'allée de service, d'une part, et au plus
jusqu'au
bord intérieur (15b) de celle-ci, d'autre part.
Le chariot (25) est typiquement muni d'un moyen de levage (26) et d'un moyen
de
préhension (27). Le moyen de préhension (27) comprend typiquement un ou
plusieurs moyens de fixation (28) pour fixer l'objet (tel qu'un élément ou un
matériel) qui est destiné à étre levé et manutentionné. Le moyen de préhension
(27)
peut être monté sur un support pivotant (29) de manière à permettre une
rotation
autour d'un axe B de l'élément ou du matériel qu'il supporte.
Dans le cas d'une poche de métal liquide ou de bain liquide (40), les moyens
de
fixation (28) peuvent s'insérer dans des moyens de fixation (41)
correspondants sur
ladite poche (40). Dans ce cas, les moyens de fixation (28) et (41) permettent
avantageusement une rotation de la poche autour d'un axe C qui est typiquement
parallèle à l'allée de service. Le chariot peut éventuellement être muni d'un
siphon
(43) destiné à être fixé sur la poche (40), et plus précisément sur le
couvercle (44) de
la poche (40). Cette dernière variante permet de simplifier la manutention et
le
transport des poches (40).
L'opération de prélèvement de métal liquide (souvent appelée t< opération de
coulée ») peut être effectuée suivant un procédé qui comprend typiquement
- le dépôt d'une poche de coulée (40) en face d'une cellule d'électrolyse (2)
déterminëe ;
- le positionnement du portique latéral (20) en face de ladite cellule ;
- la descente du moyen de préhension (27) (avec le siphon (43) dans une
position
d'attente (a)) ;
- l'arrimage de la poche sur le moyen de préhension (27) ;
- la fixation du siphon (43) sur la poche (40) ;
- le levage de la poche (40) jusqu'à une première position haute ;
- la rotation de la poche, de façon à orienter le siphon (43) en direction
d'une cellule
d'électrolyse (2) déterminée (position de prélèvement (b)) ;
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- le déplacement du chariot (25), en direction de ladite cellule, de manière à
rapprocher la poche de celle-ci ;
- l'abaissement de,la poche jusqu'à une deuxième position haute et,
éventuellement,
une rotation de la poche (ou « basculement ») autour de l'axe C, de manière à
faire
entrer la pointe du siphon dans la cellule ;
- le prélèvement de métal.
Les éléments de cellules et les matériels, tels que des anodes ou des poches à
métal
liquide, qui sont destinés à être levés et transportés par le pont roulant (8)
ou le
portique latéral (20), peuvent être transportés sur des palettes (42) et
stockés dans
l'allée de service (15).
Les cellules d' électrolyse (2) sont avantageusement entourées, en tout ou
partie, de
planchers de travail (50). Les opérateurs ont typiquement accès à ces
planchers de
travail par des escaliers fixes ou amovibles.
Dans une variante avantageuse de l'invention, l'allée de service (15) se situe
à un
premier niveau, qui est de préférence sensiblement au niveau du sol extérieur
(3) au
hall (1), et lës planchers de travail (50) se situent à au moins un deuxième
niveau, qui
est surélevé et à une hauteur Hb déterminée par rapport au premier niveau. La
hauteur Hb est typiquement comprise entre 0,5 m et 4 m. Cette configuration
permet
de simplifier le génie civil du bâtiment et de le rendre plus économique.
Dans cette variante de l'invention, les planchers de travail (50) peuvent
éventuellement comprendre un balcon de service (51) du côtë de l'allée de
service
(15), lequel balcon peut éventuellement être commun à l'ensemble des cellules
(2).
Le balcon de service (51) comprend de préfërence un garde-corps (52) pour des
raisons de sécurité.
Lorsque les planchers de travail (50) comprennent un balcon de service (51)
(de
largeur Bo), le débattement L du chariot (25) peut être tel que l'axe
principal B du
chariot (25) peut également surplomber ledit balcon. Dans ce cas, le
débattement L
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peut atteindre des valeurs supérieures à la largeur Lo de l'allée de service
(15), mais
qui restent de prëférence inférïeure à la distance Do entre le bord extérieur
(15a) de
l'allée de service et le bord intérieur (Sla) du balcon, de telle manière
qu'il
surplombe uniquement l'allée de service (15) et le balcon de service (51),
quelle que
5 soit la position dudit chariot. En d'autres termes, le débattement L du
chariot (25)
s'étend, de préférence, au plus jusqu'au bord extérieur (15a) de l'allée de
service,
d'une part, et au plus jusqu'au bord intérieur (Sla) du balcon de service.
Les planchers de travail (50) comprennent de préférence des planchers (53)
entre les
10 cellules. Lorsque les planchers de travail (SO) comprennent un balcon de
service
(51), ce dernier est de préférence au même niveau que lesdits planchers (53)
entre les
cellules.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le deuxième chemin de
roulement (21 ) comprend un premier moyen de cheminement (21 a) qui est
surélevé
par .rapport au niveau de l'allée de service (15) et un deuxième moyen de
cheminement (21b) qui est à un niveau inférieur à celui du premier moyen de
cheminement (21a). Le deuxième moyen de cheminement (21b) est de préférence
proche de l'allée de service ou sur l'allée de service (15). En particulier,
le deuxième
moyen de cheminement (21b) peut se situer directement sur l'allée de service
(15),
tel qu'illustré à la figure 2, ou se situer sur une plate-forme (19) ayant une
hauteur
déterminée Ha par rapport à ladite allée, tel qu'illustré à la figure 3. La
hauteur Ha
est typiquement comprise entre 0,2 et 2,5 m. Le deuxième moyen de cheminement
(21b) est avantageusement à même l'allée de service (15), couvrant ainsi une
bande
de circulation déterminée, ce qui permet de simplifier considérablement
l'installation. Dans ces variantes, les moyens de roulement (22a, 22b)
comprennent
typiquement des moyens de roulement « au sol », tels que des roues ou des
trains,
(22b) qui reposent sur le deuxième moyen de cheminement (21b) (qu'il soit sur
ladite
plate-forme ou sur l'allëe de service (15)). Dans ces modes de réalisation de
l'invention, le portique latéral est dénommé « semi-portique » parce qu'une
seule
partie du chemin de roulement est en hauteur.
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Le moyen de roulement (22a) qui repose sur le moyen de cheminement (21 a)
surélevé est typiquement placé à une extrëmité de la (ou des) poutres)
transversales) (23, 23a, 23b). Les moyens de roulement au sol (22b) peuvent
être
fixés à la (ou aux) poutres) transversales) (23, 23a, 23b) par des montants
(24).
Le moyen de cheminement (21a) qui est surélevé par rapport au niveau de
l'allée de
service (15) se situe à une hauteur déterminée qui est typiquement supérieure
à 3 m
afin de dégager une espace suffisant pour permettre le passage des véhicules
(16) et
le stockage d'éléments de cuves et de matériels dans l'allée de service (15).
Le
moyen de cheminement surélevé (21 a) est avantageusement fixé à la charpente
(6)
du hall (1), ce qui permet de stabiliser la position latérale du portique (20)
et
d' autoriser ainsi un fonctionnement automatique de ce dernier sans recourir à
des
systèmes de guidage qui pourraient être sensibles aux champs magnétiques.
La deuxième moyen de cheminement (21b) est avantageusement à une distance
infërieure à 0,5 m du bord intérieur (15b) de l'allée de service (c'est-à-dire
du bord
de l'allée située du côté de la file de cellules), ou éventuellement attenant
audit bord
(15b), afin de ne pas encombrer l'allée de service (15).
Lorsque les planchers de travail (50) comprennent un balcon de service (51 )
du côté
de l'allée de service (15), le deuxième moyen de cheminement (21b) peut être à
même le balcon de service (51 ) ou se situer sur une plate-forme fixée à celui-
ci.
Le hall (1) peut éventuellement comprendre deux ou plusieurs files de cellules
parallèles. Dans ce cas, il peut être avantageux de prévoir un pont roulant
par file de
cellules ou par groupe de files de cellules et au moins un portique latéral
pour chaque
file de cellules.
Liste des repères numériques
1 Hall d'ëlectrolyse
2 Cellule d'électrolyse
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12
3 Sol
4 Moyen d'accs
Rampe d'accs
6 Charpente
5 7 Bardage de btiment
8 Pont roulant
9 Traverse
Premier chariot de levage et de manutention
11 Deuxime chariot de levage et de manutention
10 12 Moyen de levage
13 Outil
14 Chemin de roulement du pont roulant
14a, 14b Moyens de cheminement du pont roulant
Alle de service
15 15a Bord extrieur de l'alle de service
15b Bord intrieur de l'alle de service
16 Vhicule motoris
17 Oprateur
18 Extrmit de service des cellules
19 Plate-forme de cheminement
20 Portique latral
21 Chemin de roulement du portique latral
21 a, 21 Moyens de cheminement du portique latral
b
22a, 22b Moyens de roulement
23, 23a, Poutre transversale
23b
24 Montant
25 Chariot
26, 26' Moyen de levage
27 Moyen de prhension
28 Moyen de fixation
29 Support pivotant
30 Poutre parallle
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13
40 Poche de mtal liquide ou poche de
bain liquide
41 Moyen de fixation sur une poche
42 Palette
43 Siphon
44 Couvercle
50 Plancher de travail
51 Balcon de service
51 a Bord intrieur du balcon de service
52 Garde-corps
53 Plancher de travail entre les cellules
d'lectrolyse
