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WO 2004/070086 PCT/FR2004/000189
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MACHINE DE SERVICE DE CELLULES D'ELECTROLYSE POUR LA
PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le
procédé de Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement les machines de
service
sur pont roulant utilisées dans les usines de production d'aluminium.
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'électrolyte, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain
d'électrolyte est
contenu dans des cuves, dites « cuves d'électrolyse », 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'électrolyte. L'ensemble formé par une
cuve
d'électrolyse, ses anodes et le bain d'électrolyte est appelé une cellule
d'électrolyse.
Les usines contiennent 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 (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.
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
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prélèvements ou ajouts d'électrolyte. Afin d'effectuer ces interventions, les
usines les
plus modernes sont équipées d'une ou plusieurs unités de service comprenant un
pont mobile qui peut être translaté au-dessus des cellules d'électrolyse, et
le long de
celles-ci, et un module de service comprenant un chariot et des organes de
manutention et d'intervention (souvent appelés « outils »), tels que des
pelles et des
palans, et apte à être déplacé sur le pont mobile. Ces unités de service sont
souvent
appelées "machines de service électrolyse" ou "M.S.E" ("PTA" ou "Pot Tending
Assembly" ou "PTM" ou "Pot Tending Machine" en langue anglaise).
Les capacités de mouvement des unités de service connues sont toutefois
limitées,
notamment à cause des câbles d'alimentation électriques qui ne permettent que
des
mouvements linéaires ou rotatifs limités.
La demanderesse a donc recherché des unités de service qui permettent d'éviter
ces
inconvénients tout en restant fiables.
Description de (invention
L'invention a pour objet un dispositif de liaison mécanique et électrique
rotatif entre
un module de transport, typiquement un chariot, et des organes de manutention
et
d' intervention d'une usine de production d'aluminium par électrolyse ignée,
caractérisé en ce qu'il comprend un châssis dit "fixe" muni d'un moyeu ou
arbre droit,
un manchon entourant le moyeu et apte à tourner autour de celui-ci, un premier
et un
deuxième châssis dits "rotatifs" aptes à tourner autour du manchon, des
contacts
électriques glissants rotatifs entre les châssis et des systèmes
d'entraînement pour
provoquer la rotation des châssis les uns par rapport aux autres autour d'un
axe
commun.
Plus précisément, le dispositif de liaison mécanique et électrique rotatif
selon
(invention est caractérisé en ce qu'il comprend
- un châssis dit "fixe" comprenant un moyeu ou arbre dit "central" définissant
un
axe de rotation,
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- un manchon entourant ledit moyeu et apte à tourner autour de celui-ci et
autour
dudit axe de rotation,
- un premier châssis dit "rotatif' tournant avec ledit manchon et apte à
tourner
autour de Taxe de rotation,
- un deuxième châssis dit "rotatif' apte à tourner autour dudit manchon et de
l'axe
de rotation,
- une première pluralité de contacts électriques glissants rotatifs dont un
membre,
destiné aux raccordements à des conducteurs extérieurs, est fixé au châssis
fixe et
l'autre membre, destiné aux raccordements à des conducteurs du système
susceptibles
d'être entraînés en rotation, est fixé au manchon,
- une deuxième pluralité de contacts électriques glissants rotatifs dont un
membre
est fixé au deuxième châssis rotatif et l'autre membre est fixé au manchon,
chaque
membre étant destiné aux raccordements à des conducteurs du système
susceptibles
d'être entraînés en rotation,
- un premier système d'entraînement apte à provoquer la rotation du premier
châssis
rotatif autour dudit axe de rotation,
- un deuxième système d'entraînement apte à provoquer la rotation du deuxième
châssis rotatif autour dudit axe de rotation.
Ainsi, les deux châssis rotatifs et le manchon du dispositif de liaison de
(invention
sont destinés à tourner autour d'un axe de rotation commun, qui est
typiquement
vertical en utilisation, et indépendamment l'un de l'autre. La rotation des
châssis et du
manchon est alors dite "coaxiale". Le manchon est entraîné en rotation par le
premier
châssis rotatif, typiquement par (intermédiaire d'un moyen mécanique, tel
qu'un
doigt.
Le dispositif de liaison selon (invention permet une rotation angulairement
illimitée
entre les trois châssis, tout en assurant une liaison électrique permanente
entre ceux-
ci. L'indépendance de rotation des châssis augmente le confort et l'efficacité
de
l'opérateur.
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L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode
de
réalisation préféré de celle-ci qui est exposé ci-dessous et qui est illustré
à l'aide des
figures annexées.
La figure 1 illustre une salle d'électrolyse typique, vue en section, destinée
à la
production d'aluminium et comprenant une unité de service représentée de
manière
schématique.
La figure 2 illustre, de manière schématique et en vue de côté, un module de
service
d'une usine de production d'aluminium par électrolyse ignée selon l'invention.
La figure 3 illustre un dispositif de liaison selon (invention, vue en
section.
Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent une
zone de production d'aluminium liquide qui comprend une ou plusieurs salles
d'électrolyse (1 ). Tel qu' illustré à la figure 1, chaque salle d'électrolyse
( 1 ) comporte
des cellules d'électrolyse (2) et au moins une "unité de service" ou "machine
de
service" (3). Les cellules d'électrolyse (2) sont normalement disposées en
rangées ou
files (typiquement côte-à-côte ou téte-à-tête), chaque rangée ou file
comportant
typiquement plus d'une centaine de cellules. Lesdites cellules (2) comprennent
une
série d'anodes (21) munies d'une tige métallique (22) destinée à la fixation
et au
raccordement électrique des anodes à un cadre anodique métallique (non
illustré).
L'unité de service (3) sert à effectuer des opérations sur les cellules (2)
telles que les
changements d' anode ou le remplissage des trémies d' alimentation en bain
broyé et
en A1F3 des cellules d'électrolyse. Elle peut également servir à
manutentionner des
charges diverses, telles que des éléments de cuve, des poches de métal liquide
ou des
anodes.
L'unité de service (3) comprend un pont mobile (4) qui peut être translaté au-
dessus
des cellules d'électrolyse (2), et le long de celles-ci, et un module de
service (5)
comprenant un chariot mobile (6) apte à être déplacé sur le pont mobile (4) et
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plusieurs organes de manutention et d'intervention (7, 8, 9, 10, 11), tels que
des
outils (pelles, clés, piqueurs,...) et des cabines de commande.
Le pont mobile (4) repose et circule sur des chemins de roulement (30, 30')
disposés
5 parallèlement l'un à l'autre et à l'axe principal du hall (et de la file de
cellules). Le
pont mobile (4) peut ainsi étre déplacé le long de la salle d'électrolyse (1).
Selon l'invention, le dispositif de liaison mécanique et électrique rotatif
(100) entre
un module de transport, typiquement un chariot, (6) et des organes de
manutention et
d'intervention (7, 8, 9, 10, 11) d'une usine de production d'aluminium par
électrolyse
ignée, est caractérisé en ce qu'il comprend
- un châssis dit "fixe" (101) destiné à être fixé audit module de transport
(6) et
comprenant un moyeu (102) définissant un axe de rotation (103), lequel axe est
typiquement perpendiculaire au plan principal dudit châssis fixe;
- un manchon ( 121 ) entourant ledit moyeu ( 102) et apte à tourner autour
dudit
moyeu (102) et autour dudit axe de rotation (103),
- un premier châssis dit "rotatif' (110) apte à tourner autour dudit axe de
rotation
(103) et à entraîner ledit manchon (121) en rotation, et destiné à porter au
moins un
organe de manutention et d'intervention (7, 8, 9, 10, 11 );
- un deuxième châssis dit "rotatif' (120) apte à tourner autour dudit manchon
(121)
et dudit axe de rotation (103), et destiné à porter au moins un organe de
manutention
et d'intervention (7, 8, 9, 10, 11 );
- une première pluralité de contacts électriques glissants rotatifs (113)
comportant
chacun au moins un premier membre (1131) fixé au châssis fixe (101) et
raccordé à
au moins un conducteur extérieur (117), et au moins un deuxième membre (1132)
fixé au manchon ( 121 ) et raccordé à au moins un conducteur de distribution (
118,
1181, 1182);
- une deuxième pluralité de contacts électriques glissants rotatifs (114)
comportant
chacun au moins un premier membre (1141) fixé au deuxième châssis rotatif
(120) et
raccordé à au moins un conducteur de distribution (119), et au moins un
deuxième
membre (1142) fixé au manchon (121) et raccordé à au moins un conducteur de
distribution (1181, 1182);
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- un premier système d'entrainement (140, 141, 142) apte à provoquer la
rotation du
premier châssis rotatif (110) autour dudit axe (103);
- un deuxième système d'entraînement (150, 151, 152) apte à provoquer la
rotation
du deuxième châssis rotatif (120) autour dudit axe (103).
Le moyeu (102) est bloqué en rotation par rapport au châssis fixe (101). En
utilisation, le châssis fixe (101) est typiquement~au-dessus des châssis
rotatifs (110,
120). L'axe de rotation (103) est normalement sensiblement vertical.
Le premier châssis rotatif ( 110) tourne avec le manchon ( 121 ) et (entraîne
en rotation
typiquement par un moyen mécanique (123) tel qu'un doigt.
Lesdites pluralités de contacts électriques glissants rotatifs (113, 114)
comprennent
typiquement des bagues ou des pistes fixées au manchon (121) et des balais ou
des
frotteurs fixés aux châssis (101, 120). Le nombre de contacts électriques
glissants
rotatifs est typiquement de quelques dizaines à plusieurs dizaines. Ils
permettent
notamment de transférer des signaux de contrôle et de la puissance électrique.
Lesdites pluralités de contacts électriques (113, 114) sont avantageusement
protégées
par un caisson (115, 116). Les châssis (101, 110, 120) comprennent typiquement
des
ouvertures pour faire passer lesdits conducteurs extérieurs et de
distribution.
Les conducteurs extérieurs (117) sont normalement fixes par rapport au châssis
fixe.
Les conducteurs de distribution (118, 1181, 1182, 119) sont des conducteurs
électriques du dispositif de liaison qui sont susceptibles d'étre entraînés
par la
rotation des châssis rotatifs (110, 120). Les conducteurs de distribution
comprennent
une première série de conducteurs (118, 1181, 1182) qui sont normalement fixes
par
rapport au manchon (121) et au premier châssis rotatif (110), et une deuxième
série
de conducteurs (119) qui sont normalement fixes par rapport au deuxième
châssis
rotatif (120).
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif de
liaison (100)
comprend en outre
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- un premier palier annulaire (111) entre le châssis fixe (101) et le premier
châssis
rotatif (110) apte à permettre la rotation éntre ces deux châssis autour de
Taxe de
rotation ( 103 );
- un deuxième palier annulaire (112) entre le premier châssis rotatif (110) et
le
deuxième châssis rotatif (120) apte à permettre la rotation entre ces deux
châssis
autour de Taxe de rotation (103).
Les paliers annulaires (111, 112) sont typiquement des paliers à roulement,
tels que
des couronnes à rouleaux.
Le dispositif de liaison (100) selon (invention comprend avantageusement un ou
des
moyens d'assemblage pour maintenir lesdits châssis (101, 110, 120) dans une
position axiale déterminée. Ces moyens d'assemblages peuvent être en tout ou
partie
intégrés aux paliers annulaires (111, 112).
Les systèmes d'entraînement (140, 141, 142, 150, 151, 152) comprennent
typiquement un moteur ( 140, 150), un pignon ( 141, 151 ) et une couronne
dentée
(142) au une roue dentée (152). Le moteur (140, 150) et la couronne (142, 152)
peuvent être fixés respectivement au châssis fixe (101) et à l'un des châssis
rotatifs
(110, 120), ou inversement. Le moteur (140, 150) peut être fixé au châssis
rotatif ou
fixe par un moyen mécanique tel qu'un bras (153).
Selon une autre variante passible de (invention, les systèmes d'entraînement
(140,
141, 142, 150, 151, 152) peuvent comprendre un ou des galets d'entraînement
par
adhérence et au moins une piste.
Le dispositif de liaison (100) comprend avantageusement des paliers annulaires
complémentaires (160, 161, 162, 163, 164) entre le manchon (121) et le châssis
fixe
(101), éventuellement par (intermédiaire du moyeu (102) - tel qu'illustré à la
figure 3
- et/ou des paliers annulaires complémentaires (170, 171) entre le manchon
(121) et
le deuxième châssis rotatif (120). Ces paliers complémentaires permettent
d'éviter les
déplacements latëraux des éléments rotatifs (110, 120, 121).
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Selon une variante avantageuse de (invention, le dispositif de liaison
comporte
également des moyens de liaison pneumatique et/ou hydraulique rotatifs (130,
131,
132, 133) entre le châssis fixe (101) et au moins un des châssis rotatifs
(110, 120), et
de préférence les deux, et donc pour au moins une des tourelles. Ces moyens de
liaison permettent notamment une alimentation en air comprimé des organes de
manutention et d'intervention. Ces moyens comportent avantageusement une
cavité
axiale (130) dans (arbre de central (102), des joints tournants étanches (131,
132) et
des canalisations complémentaires (133, 134).
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention illustré à la figure 3, le
premier
châssis rotatif (110) se situe entre le châssis fixe (101) et le deuxième
châssis rotatif
(120). Dans ce mode de réalisation de (invention, le système d'entraînement du
deuxième châssis rotatif (120) comporte de préférence une roue dentée (152)
fixée au
moyeu (102) et un moteur (150) fixé au deuxième châssis rotatif (120) et muni
d'un
pignon ( 151 ).
L'invention a également pour objet un module de service (5) destiné à étre
utilisé
dans une usine de production d'aluminium par électrolyse ignée et comprenant
un
chariot (6) et des organes de manutention et d'intervention (7, 8, 9, 10, 11),
caractérisé en ce qu'il comprend en outre:
- un dispositif de liaison (100) selon l'invention, relié au dit chariot (6)
par ledit
châssis fixe (101);
- une première tourelle (110') formée par ledit premier châssis rotatif (110)
ou reliée
au dit premier châssis rotatif (110) et comportant au moins un premier organe
de
manutention et d'intervention (7, 8, 9, 10, 11 );
- une deuxième tourelle (120') formée par ledit deuxième châssis rotatif (120)
ou
reliée au dit deuxième châssis rotatif (120) et comportant au moins un
deuxième
organe de manutention et d'intervention (7, 8, 9, 10, 11 ).
Par exemple, la première tourelle (110') comprend typiquement une cabine de
commande (11) et une trémie (10) contenant le produit de couverture des
anodes. La
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deuxième tourelle (120') comprend typiquement les différents outils de service
des
cellules d'électrolyse, tels qu'un dispositif de piquage (8) destiné à casser
la croûte
d'alumine et de cryolithe qui se forme autour et entre les anodes, une pelle
(7)
destinée à (enlèvement des éléments solides contenus dans une cellule
d'électrolyse
au moment d'un changement d'anode et un système de manutention des anodes (9)
destiné à (extraction des anodes usées et à la mise en place des anodes
neuves.
Le dispositif de liaison (100) est alors typiquement placé de manière à ce que
les
châssis rotatifs (110, 120) se situent en dessous du châssis fixe (101)
lorsque le
chariot (6) est en position d'utilisation sur le pont roulant (4).
Le module de service selon (invention permet à (opérateur d'avoir une grande
visibilité sur la cellule d'électrolyse et sur les outils ou organes de
manutention et
d'intervention lors de ses interventions. Il permet également de simplifier la
tâche de
(opérateur, en lui évitant notamment des rotations angulaires importantes par
rapport
à son point initial. Il permet en outre d'utiliser un même module dans des
salles
d'électrolyse distinctes dans lesquelles les cellules d'électrolyse ne sont
pas orientées
de la même manière.
L'invention a également pour objet une unité de service (3) d'une usine de
production
d'aluminium par électrolyse ignée comprenant un pont roulant (4) et au moins
un
module de service (5) selon l'invention.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'un module de service (5) ou
d'une
unité de service (3) selon (invention pour les interventions sur des cellules
d'électrolyse (2) destinées à la production d'aluminium par électrolyse ignée.
Liste des repéres numériques
1 Salle d'électrolyse
2 Cellule d'électrolyse
3 Unité de service
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4 Pont roulant
Module de service
6 Chariot
7 Pelle
5 8 Dispositif de piquage
9 Systme de manutention des anodes
10 Trmie
11 Cabine de commande
21 Anode
10 22 Tige d'anode
30, 30' Chemins de roulement du pont mobile
100 Dispositif de liaison mcanique et lectrique
101 Chssis fixe
102 Moyeu
103 Axe de rotation du moyeu
110 Premier chssis rotatif
110' Premire tourelle
111 Premier palier annulaire
112 Deuxime palier annulaire
113 Premire pluralit de contacts lectriques glissants
rotatifs
114 Deuxime pluralit de contacts lectriques glissants
rotatifs
1131, 1141 Premiers membres, dits "extrieurs", de chaque
contact lectrique
1132, 1142 Deuximes membres, dits "intrieurs", de chaque
contact lectrique
115, 116 Caissons de protection
117 Conducteurs lectriques extrieurs
118, 1181, Conducteurs de distribution
1182
119 Conducteurs de distribution
120 Deuxime chssis rotatif
120' Deuxime tourelle
121 Manchon
122 Corps du joint tournant
123 Moyen d'entranement en rotation
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11
130 Cavit axiale du moyeu
131, 132 Joints tournants tanches
133, 134 Canalisations
140, 150 ~ Moteur d'entranement
141, 151 Pignon
142 Couronne dente
152 Roue dente
153 Bras
160,..., 164 Paliers annulaires complmentaires
170, 171 Paliers annulaires complmentaires
