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VÉRIN DESTINE AU DÉPLACEMENT D'UN CADRE ANODIQUE D'UNE
CELLULE D'ÉLECTROLYSE 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 dispositifs
de
fixation et de déplacement des anodes des cellules d'électrolyse destinées à
la
production d'aluminium.
État de la technique
L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir
par
1 S électrolyse de (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 ee cuves d'élecirolyse », 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. Ides aaaodes, typiquement en
m~.tériau
carboné, sont fixées ~. une superstructure munie de moyens pour les déplacer
verticalement durant le processus d'électrolyse. L'ensemble formé par une cuve
d'électrolyse, ses anodes et le bain d'électrolyte est appelé une cellule
d'électrolyse.
Plusieurs dispositifs ont été proposés pour permettre la fixation et le
déplacement des
anodes par rapport à la cuve. La présente invention concerne plus
particulièrement
les dispositifs de fixation et de déplacement comprenant des éléments de
structure
fixes, un cadre - appelé cadre anodique - destiné au levage ou à l'abaissement
simultané des anodes fixées au dit cadre et des moyens de déplacement du dit
cadre
comprenant un ou plusieurs vérins. Les brevets français FR 1 440 005
(correspondant
au brevet américain US 4 410 786) et FR 2 517 704 (correspondants au brevet
américain US 4 465 578) décrivent de tels dispositifs.
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Le développement de cellules d'électrolyse d'intensité nominale de plus en
plus
élevée, de même que (accroissement de l'intensité de cellules d'électrolyse
existantes,
entraînent un alourdissement des ensembles formés par un cadre anodique et des
anodes fixées à celui-ci. Cet alourdissement nécessite des vérins aptes à
développer
des puissances de plus en plus grandes afm de permettre le déplacement desdits
ensembles de manière satisfaisante.
La demanderesse a donc recherché des vérins aptes à développer des efforts
élevés,
aptes à s'insérer dans les espaces limités et encombrés des superstructures de
cellules
d'électrolyse, et aptes à fonctionner à proximité des cellules d'électrolyse
de forte
intensité.
Descripti~n de l'invention
L'invention a pour objet un vérin comprenant une gaine munie d'une ouverture,
une
tige d'actionnement comportant une cavité axiale et un filetage et apte à se
déplacer
dans ladite ouverture, une vis d'entraînement insérée dans ladite cavité
axiale et apte
à coopérer avec ledit filetage de manière à entraîner le déplacement de ladite
tige
dans la gaine et dans ladgte ~uverture, une roue d'entraînement dentée couplée
à la vis
d'entraînement, et une vis sans fin apte ~ être raccordée à (arbre d'un moteur
et à
coopérer avec la roue d'entraînement de maniére ~. entraîner sa rotation, et
caractérisé
en ce que fentraxe E entre l'axe IZ de la roue d'entraînement et l'axe V de la
vis sans
fin est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que le rapport de réduction Rl~
entre la
vis sans fin et la roue d'entraînement est compris entre 300:1 et X0:1.
La demanderesse a trouvé qu'il était possible de concevoir un vérin capable
d'atteindre simultanément des puissances et des efforts de traction
relativement
élevés, tout en étant susceptible d'occuper un volume relativement limité,
grâce à la
combinaison des caractéristiques du vérin selon (invention.
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L'invention permet également d'obtenir un vérin irréversible, c'est-à-dire un
vérin
dont la tige d'actionnement bouge peu en charge, ce qui évite le recours à un
frein
intégré.
Le vérin selon l'invention est tout particulièrement adapté au déplacement des
cadres
anodiques des cellules d'électrolyse destinées à la production d'aluminium.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de modes
de
réalisation prëférés de celle-ci qui sont exposés ci-dessous et qui sont
illustrés à
l'aide des figures annexées.
La figure 1 illustre une cellule d'électrolyse typique tronquée et vue en
perspective.
La figure 2 illustre, vue en perspective, une superstructure typique d'une
cellule
d'électrolyse.
La â~gure 3 illustre un vérin selon l'invention, vu en section longitudinale.
La figure 4 illustre un vérin selon l'invention, vu en section transvers~.le
selon le plan
C-~ de la. figure 3.
Les cellules d'électrolyse (1) d'une usine de production d'aluminium par
électrolyse
ignée comprennent une cuve (2), apte à contenir le métal liquide et le bain
d'ëlectrolyte, une superstructure (10) et une série d'anodes (3). La
superstructure (10)
comporte un portique fixe (11) et un cadre anodique mêtallique mobile (12).
Les
anodes (3) sont munies d'une tige métallique (4) destinée à la fixation et au
raccordement électrique des anodes (3) au cadre anodique (12). La
superstructure
(10) comporte également au moins un vérin (100, 100') couplé au cadre anodique
(12) par des bielles (20, 21, 22, 21', 22') et des leviers (30, 31, 32, 33,
34, 31', 32',
33', 34'). Le cadre anodique (12) est déplacé verticalement (vers le haut ou
vers le
bas) sous l'action du ou des vérins (100, 100').
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Selon l'invention, le vérin (100, 100') comprend
- une gaine (120) munie d'une ouverture (121),
- une tige d'actionnement (140) comportant une cavité axiale (141) et un
filetage
(142) et apte à se déplacer dans ladite ouverture (121),
- une vis d'entraînement (130) insérée dans ladite cavité axiale (141) et apte
à
coopérer avec ledit fletage (142) de manière à entraîner le déplacement de
ladite tige
(140) dans ladite gaine (120) et dans ladite ouverture (121),
- une roue d'entraînement (150) dentée couplée à la vis d'entraînement (130),
- une vis sans fin (160) apte à être raccordée à (arbre (210) d'un moteur
d'entrainement (200) et à coopérer avec la roue d'entrainement (150) de
manière à
entraîner sa rotation,
et est caractérisé en ce que fentraxe E entre l'axe R de la roue
d'entraînement (150) et
Taxe V de la vis sans fin (160) est compris entre 100 et 350 mm, et en ce que
le
rapport de réduction entre la vis sans fin (160) et la roue d'entrainement
(150) est
compris entre 300:1 e1 X0:1.
Le rapport de réduction I~ est donné par le rapport entre le nombre de tours
effectué
par la vis sans fin (160) autour de son axe V Lorsque la roua d'entraînement
(150)
effectue un tour complet autour de son axe ~1. En d'autres termes, le rapport
de
réduction h~~ est: d~raré par le ra~rnbre de dents de la roue d'entraînexxgent
( 1 ~0).
Dans sa recherche d'une solution au problème posé à (invention, la
demanderesse a
constaté que (ensemble des contraintes imposées par l'utilisation d'un vérin
dans les
cellules d'électrolyse nécessitait la prise en compte d'un grand nombre de
paramètres
qui ne permettait pas de prévoir une zone de fonctionnement acceptable. En
particulier, des paramètres variables proviennent d'au moins trois niveaux de
couplage, à savoir un premier niveau entre l'arbre (210) du moteur
d'entraînement
(200) et la vis sans fin (160), un deuxième niveau entre la vis sans fin (160)
et la roue
d'entraînement (150) et un troisième niveau entre la roue d'entraînement (150)
et la
tige d'actionnement (140). Des paramètres variables proviennent également des
relations qui relient les puissances en jeux (notamment les puissances
d'entrée,
interne et de sortie), les vitesses - linéaires et angulaires - souhaitées et
acceptables,
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S
les rapports de réduction et les pas de filetage. En outre, des paramètres
variables
supplémentaires proviennent des coefficients de rendement des engrenages et
des
caractéristiques mécaniques des matériaux possibles.
La demanderesse a noté que, de manière inattendue, il était possible d'arriver
à une
solution au problème posé en, s'éloignant sensiblement des configurations et
valeurs
de paramètres normalement utilisées dans les vérins connus.
En particulier, elle a noté qu'un entraxe plus petit que 100 mm permettrait
difficilement d'obtenir la réduction de vitesse de rotation requise pour la
vis
d'entrainement (130) ou nécessiterait d'intercaler un étage de réduction de
vitesse
supplémentaire entre le moteur (200) et la vis sans fin (160) ou d'utiliser un
moteur
spëcial à petite vitesse (c'est-à-dire moins de 500 tour/min environ), et donc
un
moteur de grande dimension et cher. Un tel entrave pourrait également
nécessiter de
compenser ee manque de réduction sur l'écrou (143) avec un pas de vis plus
petit et,
par conséquent, des filets fns et fragiles. ITn entrera plus grand que 350 mm
augmenterait de manière rédhibitoire la taille du vérin et le rendrait peu
compatible
avec l'espace réduit et encombré des superstructures de cellules
d'électrolyse. Ledit
entrave E est de préférence compris entre 150 et 300 mm, et de préférence
encore
entre 1 ~0 et ~~0 nmn.
En outre, elle a constaté qu'un rapport de réduction inférieur à X0:1
imposerait
l'utilisation d'ara étage de réduction supplémentaire entre le moteur et la
vis sans f n
afin d'obtenir les faibles vitesses de déplacement (entrées et sorties) de la
tige
d'actionnement requises dans (utilisation envisagée. Le rapport de réduction
iZR est
de préférence limité à des valeurs inférieures à 300:1 afin d'éviter le
recours à des
roues d'entraînement (150) ayant un grand diamètre, ce qui serait incompatible
avec
la contrainte de compacité imposée à (invention. Le rapport de réduction RR
est de
préférence encore compris entre 100:1 et 250:1. Dans un mode de réalisation
préféré
de l'invention, le rapport de réduction RR est compris entre 140:1 et 200:1.
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La demanderesse a également constaté que la vis sans fin (160) du vérin selon
(invention est, ou est susceptible d'étre, engagée directement sur l'arbre
(210) d'un
moteur d'entraînement (200), c'est-à-dire sans réducteur intermédiaire entre
(arbre
d'entraînement et la vis sans fin, ce qui permet de réduire sensiblement le
volume du
vérin. Il peut y avoir un couplage souple entre (arbre du moteur et la vis
sans fin.
Le moteur d'entraînement (200) est de préférence un moteur à courant
alternatif
(typiquement un moteur asynchrone). La puissance du moteur est typiquement
comprise entre 3 et 20 kW (lorsque le moteur actionne un seul vérin, sa
puissance est
typiquement comprise entre 3 et 8 kW ; lorsque le moteur actionne deux vérins,
sa
puissance est typiquement comprise entre 5 et 20 kW). Le couple développé par
le
moteur est de prëférence supérieur à 50 Nm et typiquement compris entre 70 et
200
Nm. La vitesse de rotation du moteur se situe typiquement entre 750 et 1 S00
tr/mn, et
plus typiquement entre 1000 et 1500 tr/mn.
Le diamètre moyen D de la vis d'entrainement (130) est de préférence inférieur
à 150
mm afin de limiter le diamètre extérieur de la gaine (120) à des valeurs
acceptables.
Le diamètre D est de préférence compris entre 50 et 120 mm, et de préférence
encore
entre 7â et 105 xnm. ITn diamètre inférieur à 50 mrn conduirait à une trop
grande
fragilisation de la vis d'entrainement (130).
Ledit filetage (142) couvre tout ou partie de la paroi intérieure de la tige
d'actionnement (140). Le filetage (142) est avantageusement formé sur un
embout
filetë (ou écrou) (143) qui est fixé à l'extrémité intërieure (144) de la tige
d'actionnement (140) ou solidaire de celle-ci. Les filets du f Jetage (142)
peuvent être
simples ou multiples (par exemple, deux filets parallèles). La longueur du
filetage est
typiquement au moins égale à 10 fois le pas de la vis d'entraînement. Le pas
du
filetage (142) est de préférence compris entre 14 et 20 mm, et de préférence
encore
entre 16 et 18 mm. La demanderesse a observé que ces valeurs de pas de
filetage
permettaient d'obtenir une tenue à (effort élevée dans les plages de valeurs
de vitesse
de déplacement de la tige d'actionnement envisagées.
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Les dimensions et paramètres du vérin selon (invention permettent d'obtenir
simultanément, et de manière satisfaisante, des vitesses de déplacement de la
tige
d'actionnement et des efforts de tractions compatibles avec le déplacement des
cadres
anodiques de cellules d'électrolyse, tout en impliquant des vitesses de
rotation de
l'arbre du moteur, de la vis sans fin et de la vis d'entraînement acceptables
et qui
évitent le recours à des moteurs lents, volumineux et de coût élevé.
La vitesse de rotation de la vis sans fin (160) est typiquement comprise entre
750 et
1500 tr/mn, et plus typiquement encore entre 1000 et 1500 tr/mn. La vitesse de
la vis
d'entraînement (130) est typiquement comprise entre 5 et 15 tr/mn, et plus
typiquement entre 7 et 10 tr/mn. Cette vitesse est égale à celle de la roue
d'entraînement lorsque la vis d'entraînement est fixée à la roue ou solidaire
de celle-
ci. Ces vitesses permettent d'atteindre simultanément, et de manière
satisfaisante, des
vitesses de déplacement de la tige d'actionnement et des efforts de tractions
acceptables pour le déplacement des cadres anodiques de cellules
d'électrolyse.
Le vérin selon l'invention peut développer des efforts de tractions supérieurs
à 100
kN. Les efforts de traction sont typiquement compris entre 150 et 600 kN. De
tels
efforts sont requis pour déplacer verticalement un cadre anodique chargé
d'anodes
sans avoir recours ~ des rapports de levier importants au niveau des le~riers
de la
superstructure d'une cellule d'électrolyse.
Les vitesses de déplacement d'entrée ou de sortie de la tige du vérin sont
typiquement
comprises entre 100 et 300 mm/mn, et plus typiquement entre 120 et 150 mm/mn.
Ces vitesses sont compatibles avec une régulation par petites impulsions du
niveau
du cadre anodique.
L'invention permet d'utiliser des moteurs d'entraînement dont le diamètre est
inférieur à 350 mm, voire inférieur à 250 mm, tout en disposant de la
puissance et
des efforts de traction nécessaires au déplacement de cadres anodiques de
cellules
d'électrolyse destinées à la production d'aluminium dont la masse, incluant
celle des
anodes, est typiquement de plusieurs dizaines de tonnes. Les dimensions du
vérin
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selon l'invention sont typiquement de SSO à 700 mm en dimensïon transversale
et de
1500 à 2400 mm en longueur totale (avec la tige d'aetionnement en position
rétractée).
La roue d'entraînement {150} est couplée mécaniquement â la vis d'entraînement
{130). Dans un mode de réalisation prëfëré de (invention, la roue
d'erttxainetnent
(150} est fixée à la vis d'entrainernent (130), ou solidaire de celle-ci, Taxe
de rotation
R de la roue d'entraïnement (150) et Taxe de rotation ~ de la vis
d'entraînement {1~0)
coïncident de maniére à former un axe de rotation commun A..
De préférence, l'axe l~~l du moteur {200} et Taxe ~ de la vis sans fin {160}
cc~ineident.
L'axe ~ de la vis sans fin (160} est typiquement perpendiculaire à Taxe R de
1a. roue.
La gaine {120} communique avantageusement avec le carter {110) du vérin afin
d'a~aoir une réserve de lubri~aiat unique, typiquement par des
ot~~~e~°tdu°e~ (114.). f,a.
ca~~té a«iaïe ( 141 ) de la. tige d'actionnetnent { 140) coxnrnunique
avanntageusernenr
avec la gaine {120), typiquement par des ou~aer~ares (146) aménagées sa paroi,
a.~.~.
de permettre une lubrification du filetage. L'extrémïté extérieure de la. tige
d'actionnement {140} est munie d'un moyen de fixation (14~).
Le vérin (100, 100') comporte de préférence pan joint d'écl~éité (122) entre
l~, tige
d'actionnement ( 140) et la gaine { 120}. Il a été trouvé plus avantageux
d'utiliser une
gaine (120) rigide plutôt qu'une gaine en forme de soufflet, dont sont
sou~aer~t rnunïs
les vérins classiques à grande course, En effet, une gaine en forn~.e de
soufflet, qui se
plie et se déplie constamment en cours d'utilisation, prësente (inconvénient
d'étre
sensible à l'abrasion provoquée par des nmtiéres abrasives, telles que
faluynine, qui
sont en suspension dans l'environnement d'une cellule d'électrolyse et qui
pourraient
se déposer dans les plis du soufflet.
La gaine (120) comporte avantageusement une partie tubulaire de longueur
importante {typiquement approximativement égale à ia course de la tige
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d'actionnement à l'intérieure de celle-ci), af n de permettre de guider les
déplacements de la tige d'actionnement.
La roue d'entraînement (150) du vérin selon l'invention repose de préférence
sur au
moins un palier (151, 152). Le palier peut être situé du côté opposé à la vis
d'entraînement (130) ou entre la roue et la vis d'entraînement.
Les moyens de fixation ( 111 ) du vérin peuvent être placés sur la partie
arrière ( 112)
du vérin, c'est-à-dire la partie du vérin opposée à la tige d'actionnement
(140), ou sur
la partie avant (113) du vérin, typiquement sur la gaine (120).
Le moteur (200) d'entraînement du vêrin peut être propre à un vërin ou commun
à au
moins deux vérins. Dans le cas de deux vérins, (arbre du moteur est
typiquement
traversant et raccordé à un vérin de chaque côté du moteur. Le raccordement de
(arbre du moteur à deux ou plusieurs vérins permet une plus grande compacité
du
dispositif d'entraînement et une synchronisation des vérins.
Le vérin selon (invention est tout particulièrement destiné à être utilisë
dans une
cellule d'électrolyse pour la production d'aluminium. Ainsi, l'invention a
également
p~ur objet l'e~tilisation d'un vérin (100, 100') selon (invention pour le
déplacement
d'un cidre anodique (12) d'une superstructure (10) d'une cellule d'électrolyse
(1)
destinëe à la production d'aluminium.
L'invention a encore pour objet une superstructure (10) destinée à âtre
installée dans
une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium et eomportant un
cadre
anodique (12) et au moins un vérin (100, 100') selon (invention pour déplacer
ledit
cadre. L'invention a encore pour objet une cellule d'électrolyse (1) munie
d'une telle
superstructure (10).
Lesdites cellules d'électrolyse (1) sont susceptibles de fonctionner à des
intensités
typiquement supérieures à 300 lcA, voire supérieure à 400 lcA, et pouvant
atteindre
plus de 500 kA.
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Liste des repères
1 Cellule d'lectrolyse
5 2 Cuve
3 Anode
4 Tige d'anode
10 Superstructure
11 Portique
10 12 Cadre anodique
20, 21, 22, 21', Bielles
22'
30, 31, 32,..., Leviers
31', 32',...
100, 100' Vrin
110 Carter du vrin
111 Moyen de ~~ation
112 Partie arrire du vrin
113 Partie avant du vrin
114 Ouverture
120 Ciaine
121 Ouverture
122 Joint d'tanchit
130 Vis d'entrainement
140 Tige d'actionnement
141 Cavit axiale
142 Filetage
143 Embout filet (crou)
144 Extrmit intrieure de la tige
d'actionnement
145 Moyen de fixation
146 Ouverture
150 Roue d'entranement
151, 152 Paliers
160 Vis sans fm
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200 Moteur d'entraînement
210 Arbre du moteur
A Axe du vrin
D Diamtre moyen de la vis d'entranement
E Entraxe de rduction
M Axe du moteur
R Axe de la roue d'entranement
RR Rapport de rduction
T Axe de la tige d'actionnement
V Axe de la vis sans fin
