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DISPOSITIF ET PROCEDE DE RACCORDEMENT D'ANODES INERTES
DESTINEES A LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR ELECTROLYSE
IGNEE
Domaine de l'invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée. Elle
concerne
plus particulièrement les anodes utilisées pour cette production et le
raccordement
électrique de ces anodes à des conducteurs d'amenée de courant.
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 à base de cryolithe fondue,
appelé
bain d'électrolyte, notamment selon le procédé bien connu de Hall-Héroult.
L'électrolyse est réalisée dans des cellules comportant un creuset en matériau
réfractaire apte à contenir l'électrolyte, au moins une cathode et au moins
une anode.
Le courant d'électrolyse, qui circule dans l'électrolyte par l'intermédiaire
des anodes
et des cathodes, opère les réactions de réduction de l'aluminium et permet
également
de maintenir, par effet Joule, le bain d'électrolyte à la température de
fonctionnement
visée, qui est typiquement de l'ordre de 950 C. La cellule d'électrolyse est
régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en
alumine produite par les réactions d'électrolyse.
Dans la technologie standard, les anodes sont en matériau carboné et sont
consommées par les réactions de réduction de l'aluminium. La consommation du
matériau carboné libère des quantités importantes de dioxyde de carbone.
Les contraintes environnementales et les coûts associés à la fabrication et à
l'utilisation des anodes en matériau carboné ont, depuis de nombreuses
décennies,
conduit les producteurs d'aluminium à rechercher des anodes en matériaux non-
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consommables, dites anodes inertes . Plusieurs matériaux ont été proposés,
notamment des matériaux céramiques (tels que Sn02 et des ferrites), des
matériaux
métalliques et des matériaux composites, tels que les matériaux - connus sous
la
dénomination cermet - contenant une phase céramique et une phase
métallique
(notamment des ferrites de nickel contenant une phase métallique à base de
cuivre).
Les problèmes rencontrés dans le développement des anodes inertes pour la
production d'aluminium par électrolyse résident non seulement dans le choix et
la
fabrication du matériau constitutif de l'anode, mais également dans le
raccordement
électrique entre chaque anode et le ou les conducteurs destinés à
l'alimentation
électrique de la cellule d'électrolyse. Plusieurs procédés et dispositifs de
raccordement ont été proposés pour les anodes inertes.
Le brevet US 4 500 406 propose d'utiliser une anode possédant une partie
active, une
partie métallique, apte au raccordement, et un gradient de composition entre
la partie
active et la partie métallique. Le brevet US 4 541 912 décrit un assemblage
formé par
compression isostatique à chaud d'un matériau cermet sur un substrat
conducteur
métallique. Ces solutions rendent plus difficile l'élaboration de l'anode et
imposent
des contraintes sur les paramètres de cuisson de la partie active de l'anode.
Le brevet américain US 4 623 555 décrit la formation d'un raccordement à
l'aide d'un
gradient de composition formé par pulvérisation plasma. Cette solution
nécessite une
parfaite maîtrise du procédé de formation de la couche intermédiaire et impose
une
étape supplémentaire complexe.
Les brevets US 4 468 298, US 4 468 299 et US 4 468 300 décrivent des joints
formés
par soudure diffusion, friction ou autre. Le brevet US 4 457 811 décrit un
raccordement comportant une ou plusieurs lames élastiques soudées sur la
surface
intérieure ou extérieure d'une anode. Ces solutions nécessitent une réduction
chimique de la surface de contact avant la formation des joints, ce qui
complique
considérablement la fabrication des anodes. Ces solutions présentent également
l'inconvénient de compliquer l'assemblage des raccordements électriques.
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Les brevets américains US 4 357 226 et US 4 840 718 décrivent des
raccordements
mécaniques applicables à des ensembles d'anodes pleines. Ces modes de
raccordement sont complexes.
Les brevets américains US 4 456 517, US 4 450 061, US 4 609 249 et US 6 264
810
décrivent des raccordements mécaniques applicables à des anodes possédant une
cavité centrale. Ces raccordements sont sensibles à l'évolution des propriétés
mécaniques de ses éléments constitutifs lors de l'utilisation des anodes et
introduisent
des tensions mécaniques entre l'anode et les pièces métalliques. En outre, ces
solutions sont sensibles à l'atmosphère ambiante corrosive des cellules
d'électrolyse.
Afin de pallier cette difficulté, certains de ces brevets proposent également
d'ajouter
des écrans et/ou des matériaux inertes de remplissage. Ces moyens de
protection
complémentaires compliquent la réalisation des raccordements et la rendent
plus
coûteuse. La solution proposée par le brevet US 6 264 810 présente
l'inconvénient
supplémentaire de nécessiter un grand nombre de pièces distinctes qui doivent
maintenir leurs caractéristiques mécaniques sur une longue période de temps.
La demanderesse a donc recherché des solutions pour éviter les inconvénients
de l'art
antérieur.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un assemblage anodique comportant au moins une anode
inerte et au moins un conducteur de raccordement destiné à l'alimentation
électrique
de l'anode, caractérisé en ce que :
- l'anode est creuse et prend la forme d'une poche,
- la surface de contact entre le conducteur et l'anode se situe à proximité
(et
typiquement en périphérie) de l'ouverture de l'anode,
- la liaison électrique et mécanique entre le conducteur et l'anode comporte
un joint
métallique brasé ou susceptible d'être formé par brasage en tout ou partie en
cours
d'utilisation.
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Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit joint brasé est
susceptible de se consolider au cours de l'utilisation dudit ensemble dans une
cellule
de production d'aluminium par électrolyse. A cette fin, il comporte
avantageusement
au moins un élément choisi parmi l'aluminium, l'argent, le cuivre, le
magnésium, le
manganèse, le titane et le zinc.
L'anode prend typiquement la forme d'une poche cylindrique, ou "doigt de
gant",
dont la surface extérieure de l'extrémité fermée est arrondie, ou
quadrangulaire
arrondie dont les angles de la surface extérieure de l'extrémité fermée sont
arrondis.
Ces formes permettent d'éviter les disparités de densité de courant locale en
utilisation, lorsque l'extrémité fermée est immergée dans un bain
d'électrolyte à base
de sel fondu.
La demanderesse a noté que les modes de raccordement connus, qui amènent le
courant électrique directement au centre ou à proximité de la partie immergée
dans le
bain, entraînent une mauvaise répartition des lignes de courant, notamment
dans les
anodes ayant la forme d'une poche. Elle a également noté que cette répartition
des
lignes de courant pouvait conduire à des densités de courant trop faibles à
certains
endroits (c'est-à-dire typiquement inférieures à environ 0,5 A/cm2), ce qui
favorise
localement la corrosion, et trop fortes à d'autres endroits (c'est-à-dire
typiquement
supérieures à 1,5 A/cm2, voire supérieures à 2,5 A/cm2), ce qui accélère
localement la
dégradation par dissolution électrochimique.
La demanderesse a eu l'idée d'utiliser un joint brasé qui se consolide lors
d'un
traitement thermique, soit (en tout ou partie) avant l'utilisation de
l'assemblage dans
une cellule d'électrolyse, soit (en tout ou partie) in situ lors de
l'utilisation de
l'assemblage dans une cellule d'électrolyse. Le joint brasé permet d'éviter de
mettre
sous tension mécanique la partie de l'anode inerte qui sert au raccordement
mécanique. Le joint brasé permet d'obtenir une liaison mécanique et électrique
commune et efficace, ce qui simplifie considérablement le procédé de
fabrication.
Cette variante est également avantageuse par le fait qu'elle autorise
l'utilisation d'un
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assemblage mécanique qui est dimensionné de manière à être suffisant pour
assurer
un maintien mécanique temporaire satisfaisant de l'anode jusqu'à la
consolidation du
joint brasé, mais pas nécessairement suffisant pour assurer la totalité des
besoins
mécaniques du raccordement requis en cours d'utilisation, car la consolidation
du
5 joint brasé apporte le complément de tenue mécanique requis en utilisation.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication des assemblages
anodiques selon l'invention.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'au moins un assemblage
anodique selon
l'invention, ou obtenu par le procédé de fabrication de l'invention, pour la
production
d'aluminium par électrolyse ignée.
L'invention a encore pour objet une cellule de production d'aluminium par
électrolyse ignée comportant au moins un assemblage anodique selon l'invention
ou
obtenu par le procédé de fabrication de l'invention.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de modes
de
réalisation particuliers et des figures annexées.
Les figures 1 à 7 sont relatives à l'invention. Les figures 1 et 3 à 6
illustrent des
assemblages anodiques selon l'invention, vus en section longitudinale. La
figure 2
illustre deux éléments de l'assemblage anodique de la figure 1. La figure 7
illustre
l'évolution morphologique du matériau de brasage en cours de brasage.
L'assemblage anodique (1) selon l'invention comporte au moins une anode inerte
creuse (2), au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) et au moins
un joint
métallique brasé, ou susceptible d'être formé par brasage, (31) apte à assurer
un
raccordement mécanique et électrique (30) entre le conducteur et l'anode.
La forme creuse de l'anode permet de limiter le coût de fabrication et de
libérer un
espace (21) utile à l'intérieur de celle-ci. Cet espace ou cavité (21) peut
être utilisé,
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par exemple, pour y introduire une ou plusieurs résistances chauffantes (9)
destinées
à chauffer l'anode avant son immersion dans le bain d'électrolyte liquide.
L'anode possède une surface intérieure (210) et une surface extérieure (230).
L'épaisseur E de la paroi (23) de l'anode peut être différente à différents
endroits de
l'anode. L'épaisseur de la partie latérale (23') de la paroi (23) de l'anode
peut être
uniforme ou non.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les anodes et les
conducteurs
de raccordement ont une symétrie axiale par rapport à un axe central A.
L'extrémité fermée (24) de l'anode (2) possède une surface (240), dite
"active",
destinée à être immergée dans un bain d'électrolyte à base de sel fondu. La
surface
active (240) de l'anode est de préférence exempte d'angles vifs afin d'éviter
les effets
de pointe dans la distribution du courant électrique en utilisation ; elle
peut être de
forme hémisphérique ou comporter des polygones à angles arrondis.
Selon l'invention, l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2), qui est opposée à
l'extrémité
fermée (24), est utilisée pour effectuer un raccordement mécanique et
électrique à au
moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4, 5). Le joint (31) est situé au
niveau de
la zone de raccordement (25) de l'anode.
Plus précisément, l'assemblage anodique (1) destiné à une cellule de
production
d'aluminium par électrolyse ignée selon l'invention comprend :
- au moins une anode inerte (2) en forme de poche, de longueur L, comportant
une
cavité (21), une extrémité ouverte (22) comportant une ouverture (200), une
paroi
(23) entourant la cavité (21), une extrémité fermée (24), et au moins un moyen
de
raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) ;
- au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) comportant une
extrémité de
raccordement (42), et au moins un moyen de raccordement mécanique (44, 45, 46)
apte à coopérer avec le ou les moyens de raccordement mécaniques (26, 27, 28,
29)
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de l'anode (2) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur
et
l'anode ;
- au moins un joint métallique brasé (31) ou au moins un matériau de brasage
susceptible de former un joint métallique brasé (31) par brasage en tout ou
partie en
cours d'utilisation, ledit joint (31) étant situé entre tout ou partie d'au
moins une
surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou
partie d'au
moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du
conducteur
(3, 4, 4', 5).
De manière avantageuse, les éléments de l'assemblage anodique selon
l'invention,
notamment lesdits moyens de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29, 44, 45,
46),
peuvent être dimensionnés de manière à être suffisants pour assurer uniquement
un
maintien mécanique temporaire satisfaisant de l'anode jusqu'à la consolidation
du
joint brasé, avant utilisation ou en cours d'utilisation dans une cellule
d'électrolyse.
Ledit joint (31) est situé entre tout ou partie d'au moins une surface (20,
20', 20") de
l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une
surface (40,
40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
Le conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5) est destiné à l'alimentation
électrique de
l'anode (2). Il peut comporter une cavité centrale (8). Le conducteur de
raccordement
(3, 4, 4', 5), qui peut être formé de plusieurs pièces, comporte
avantageusement au
moins un élément (4) en alliage à base nickel (c'est-à-dire contenant plus de
50 %
pds. de nickel) et l'extrémité de raccordement (42) se situe avantageusement
sur cet
élément (4). L'alliage à base nickel est avantageusement un alliage UNS
N06625, dit
"alliage 625", et plus avantageusement un alliage UNS N06025, dit "alliage
602",
dont la teneur en aluminium ajouté lui confère une meilleure résistance à la
corrosion
à chaud.
Tel qu'illustré aux figures 1, 3 et 4, le conducteur de raccordement (3, 4,
4', 5) peut
comporter un conducteur intermédiaire (4), typiquement en alliage à base
nickel,
destiné à établir la liaison mécanique et électrique avec l'anode, et un
conducteur
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8
"extérieur" (5) destiné au support mécanique de l'ensemble anodique et au
raccordement
électrique à l'extérieur de la cellule d'électrolyse, généralement par un
moyen raccordement
extérieur (6). Tel qu'illustré à la figure 5, le conducteur de raccordement
(3,4, 4', 5) peut
comporter deux ou plusieurs conducteurs intermédiaires (4,4'). Les pièces
(3,4, 4', 5) sont
fixées entre elles par un ou plusieurs raccordements intermédiaires (7).
Le conducteur de raccordement (3,4, 4', 5) a typiquement une forme allongée,
éventuellement
tubulaire. Le conducteur de raccordement intermédiaire 4 de la figure 2 a une
paroi
cylindrique 43 ménageant une cavité centrale 41.
Le ou les moyens de raccordement mécanique (26,27, 28,29) de l'anode (2) sont
situés à
proximité de l'extrémité ouverte (22). Ils couvrent une partie de l'extrémité
ouverte (22) de
l'anode représentant typiquement moins de 10 %, voire moins de 5 %, de la
longueur L totale
de l'anode.
Afin d'assurer un contact électrique suffisant, l'aire totale de la ou des
surfaces de
raccordement (20,20', 20") de l'anode est telle que, à l'intensité nominale en
utilisation, la
densité surfacique de courant est comprise de préférence entre 1 et 50 A/cm2,
de préférence
encore entre 2 et 20 A/cm2, et de préférence encore entre 5 et 15 A/cm2. Ceci
représente des
valeurs de surface typiquement comprise entre 1 et 20 %, voire encore entre 5
% et 15 %, de
l'aire totale de la surface extérieure (230) de l'anode.
Le ou les moyens de raccordement mécanique (26,27, 28,29) de l'anode (2)
comprennent
typiquement au moins un élément choisi parmi les collerettes (26), les cavités
annulaires (27),
les rainures annulaires (28) et les épaulements annulaires (29). Ces formes
sont faciles à
obtenir sur des anodes inertes à symétrie axiale.
Le ou les moyens de raccordement mécanique (44,45, 46) du conducteur (3,4, 4',
5) sont de
préférence situés à proximité de l'extrémité de raccordement (42).
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Le ou les moyens de raccordement mécanique (44, 45, 46) du conducteur (3, 4,
4', 5)
comprennent typiquement au moins un élément choisi parmi les rainures
annulaires
(44), les jupes (45) et les épaulements annulaires (46). Ces formes sont
faciles à
obtenir - typiquement par décolletage - sur des pièces métalliques à symétrie
axiale.
Les moyens de raccordement de l'anode (26, 27, 28, 29) et du conducteur (44,
45, 46)
coopèrent avantageusement par au moins un des moyens choisis parmi le vissage,
l'encliquetage, la friction, l'insertion ou l'emmanchement. L'insertion et
l'emmanchement peuvent être effectués après avoir chauffé l'anode et/ou le
conducteur de raccordement.
L'assemblage anodique (1) peut comporter un ou plusieurs moyens d'assemblage
complémentaires (34, 340, 36), tels qu'un ou des anneaux de serrage (34, 340)
et une
ou des bagues (36) ouvertes ou fermées.
Les surfaces de raccordement (20) situées à proximité de l'ouverture (200) de
l'anode
(2) sont avantageusement inclinées (typiquement par rapport à l'axe A de
l'assemblage) de manière à éviter l'écoulement du matériau de brasage (31')
dans la
cavité (21) lors du brasage et/ou de l'utilisation de l'assemblage anodique. A
cette fin,
la ou les surfaces de raccordement (20, 20', 20") de l'anode (2) comporte(nt)
typiquement au moins un élément de surface (20) plat dont la tangente forme un
angle a compris entre 45 et 90 , voire entre 60 et 90 , avec l'axe principal
A de
l'anode.
Les surfaces de raccordement (20, 20', 20") sont typiquement au moins en
partie sur
la surface extérieure (230) de l'anode (2) lorsque le matériau constitutif de
l'anode
possède un coefficient de dilation inférieur à celui du matériau constitutif
du
conducteur de raccordement ; elles sont typiquement au moins en partie sur la
surface intérieure (210) de l'anode dans le cas contraire.
L'assemblage anodique (1) peut également comporter au moins un joint
complémentaire (33) destiné à confiner le joint brasé (31), généralement par
une
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limitation de l'écoulement du matériau de brasage. Cet écoulement peut se
produire
lors du traitement thermique ou lors de l'utilisation. Le joint complémentaire
(33) est
typiquement choisi parmi les anneaux et les bagues ouvertes ou fermées. Le
joint
complémentaire (33) peut être métallique ou non métallique.
5
De préférence, afin de limiter le développement de tensions mécaniques avant
et/ou
durant le brasage, l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2)
ne
comporte ni serrage ni contrainte entre le conducteur et l'anode.
10 De préférence, en utilisation, les moyens de raccordement (26, 27, 28, 29,
44, 45, 46)
se situent dans une partie de la cellule au moins partiellement isolée des gaz
corrosifs
et à une température notablement plus basse que celle du bain (et de
préférence
inférieure à 850 C), ce qui est réalisé par adaptation de la longueur L de
l'anode
inerte.
Dans les modes de réalisation illustrés aux figures 1, 3 et 5, la périphérie
de
l'ouverture (200) de l'anode (2) comprend une collerette (26) tournée vers
l'extérieur
de l'anode et une cavité annulaire (27), également tournée vers l'extérieur de
l'anode.
Le conducteur de raccordement (3, 4, 5) comporte une jupe (45) filetée vers
l'intérieur. Les moyens de raccordements comprennent en outre un anneau de
serrage
(34) fileté vers l'extérieur et apte à se visser à l'intérieur de la jupe
(45).
Dans le mode de réalisation de la figure 1, le joint métallique (31) est formé
à partir
d'un matériau de brasage sous forme d'un anneau mince et plat, placé dans
l'espace
(32) entre les surfaces de raccordement (20, 20") et (40, 40"). Les moyens de
raccordement peuvent comprendre un anneau (33) pour limiter l'écoulement du
matériau de brasage. Avant l'opération de brasage, l'anneau de serrage (34)
fileté est
vissé à l'intérieur de la jupe (45) de manière à rapprocher de l'anneau de
brasage (31)
les surfaces de raccordement (20, 20") et (40, 40"). Les surfaces de
raccordement
peuvent éventuellement être mises en contact avec, ou en appui sur, l'anneau
de
brasage.
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Tel qu'illustré aux figures 3 à 5, le joint métallique (31) peut être formé à
partir d'un
matériau de brasage provenant en tout ou partie d'au moins un réservoir (35).
L'espace (32, 32') est destiné à accumuler le matériau de brasage et à former
un joint
(31) lors du brasage. La surface (20) à proximité l'ouverture (200) est de
préférence
inclinée de manière à empêcher l'écoulement du matériau de brasage dans la
cavité
(21) de l'anode.
Dans le mode de réalisation de la figure 3, avant l'opération de brasage,
l'anneau de
serrage (34) fileté est vissé à l'intérieur de la jupe (45) de manière à
rapprocher les
surfaces de raccordement (20, 20') et (40, 40') l'une de l'autre tout en
laissant un
espace (32, 32') destiné à accumuler le matériau de brasage et à former un
joint (31)
lors du brasage.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 4, la périphérie de
l'ouverture (200) de
l'anode (2) comprend une rainure annulaire (28) tournée vers l'extérieur de
l'anode.
Le conducteur de raccordement (3, 4, 5) comporte une jupe (45) munie d'une
rainure
annulaire (44) tournée vers l'intérieur. Les moyens de raccordements
comprennent en
outre une bague d'encliquetage (36) apte à coopérer avec les rainures
annulaires (28)
et (44) de manière à établir une liaison mécanique entre le conducteur (4) et
l'anode
(2). Dans ces modes de réalisation, l'anode (2) est insérée à l'intérieur de
la jupe (45)
jusqu'à l'encliquetage des rainures (28) et (44) avant l'opération de brasage.
Les
surfaces de raccordement (20, 20') et (40, 40') forment un espace (32).
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 5, la périphérie de
l'ouverture (200) de
l'anode (2) comprend une collerette (26) tournée vers l'extérieur de l'anode
et une
cavité annulaire (27), également tournée vers l'extérieur de l'anode. Le
conducteur de
raccordement (3, 4, 4, 5) comporte une jupe (45) sur laquelle peut être fixé
un
anneau de serrage (340), typiquement à l'aide de moyens de fixations (37) tels
que
des boulons. Avant l'opération de brasage, l'anneau de serrage (340) est fixé
à la jupe
(45) de manière à emprisonner la collerette (26) tout en laissant un espace
(32, 32')
destiné à accumuler le matériau de brasage et à former un joint (31) lors du
brasage.
La jonction entre le conducteur (4) et l'anode (2) reste lâche jusqu'au
brasage.
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Dans les modes de réalisation des figures 1, 3 et 5, les moyens de
raccordement
peuvent comprendre un anneau (figures 1 et 5) ou une bague (figure 3) (33)
pour
limiter l'écoulement du matériau de brasage.
Dans le mode de réalisation de la figure 6, le conducteur de raccordement (4)
possède un épaulement annulaire (46) apte à coopérer avec un épaulement
annulaire
(29) correspondant sur l'anode (2). Ces épaulements ont des dimensions telles
que
l'assemblage peut être fait par une dilatation à chaud de l'une des deux
pièces : (A) à
chaud, l'espace G entre les pièces est suffisant pour permettre l'insertion de
l'anode
dans le conducteur ; (B) à froid, les épaulements s'insèrent l'un dans l'autre
et
permettent un maintien mécanique temporaire jusqu'à la consolidation du joint
brasé
(31). La température de chauffage, en vue de l'assemblage, est de préférence
plus
faible que la température de fusion du matériau de brasage afin d'éviter son
écoulement pendant l'assemblage.
Comme dans le cas de la configuration de la figure 6, l'espace (32') entre
certaines
surfaces en regard (20', 40') destinées à être brasées peut être sensiblement
vertical
ou conique.
Le matériau de brasage peut changer de position et de forme en cours de
brasage.
Ainsi, tel qu'illustré à la figure 7, le matériau de brasage, qui a
initialement une forme
et une position déterminée initiales (31') (figure 7A), peut se déformer lors
du
traitement thermique, typiquement par écoulement, pour occuper un volume final
(31) en contact intime avec les surfaces de raccordement (20, 20', 20", 40,
40', 40")
(figure 7B). La position initiale peut être en tout ou partie dans un
réservoir (35).
L'assemblage anodique peut comporter un isolant thermique (10) dans la cavité
centrale (21) de l'anode, afin d'éviter, notamment, le surchauffer le
conducteur de
raccordement extérieur (5) par le rayonnement intérieur de l'anode.
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L'anode (2) est typiquement choisie parmi les anodes comportant un matériau
céramique, les anodes comportant un matériau métallique et les anodes
comportant
un matériau cermet.
Le procédé de fabrication d'un assemblage anodique (1) selon l'invention
comprend :
- la fourniture d'au moins une anode inerte (2) en forme de poche, de longueur
L,
comportant une cavité (21), une extrémité ouverte (22) comportant une
ouverture
(200), une paroi (23) entourant la cavité (21), une extrémité fermée (24), et
au moins
un moyen de raccordement mécanique (26, 27, 28, 29) ;
- la fourniture d'au moins un conducteur de raccordement (3, 4, 4', 5)
comportant une
extrémité de raccordement (42), et au moins un moyen de raccordement mécanique
(44, 45, 46) apte à coopérer avec le ou les moyens de raccordement mécaniques
(26,
27, 28, 29) de l'anode (2) de manière à établir une liaison mécanique entre le
conducteur et l'anode ;
- la fourniture d'au moins un matériau de brasage apte à former un joint
métallique ;
- la mise en place du ou des matériaux de brasage à un endroit déterminé à
proximité
d'au moins une des surfaces (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de
l'anode (2)
ou des surfaces (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du
conducteur (3,
4, 4', 5) destinées à être raccordées par brasage ;
- l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de l'anode (2) de manière à
rapprocher
lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") ;
- un traitement thermique apte à entraîner la formation d'un joint brasé (31)
entre le
conducteur et l'anode à partir du ou des matériaux de brasage.
Le joint brasé (31) se forme entre lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40',
40") et
constitue ainsi un raccordement mécanique et électrique entre le conducteur et
l'anode.
L'opération d'assemblage du conducteur (3, 4, 4, 5) et de l'anode (2) produit
de
préférence un assemblage lâche, qui ne se rigidifie que lors du traitement
thermique.
Cette variante permet d'éviter les contraintes mécaniques.
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Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la composition du
matériau
de brasage, ou de l'un des matériaux de brasage, est susceptible d'être
modifiée lors
du traitement thermique de manière à en augmenter la température de fusion
jusqu'à
une valeur supérieure à la température maximale subie par ledit joint brasé
(31) en
cours d'utilisation. Cette modification consolide le joint. Elle peut être
obtenue par
l'un au moins des mécanismes suivants :
- par évaporation d'au moins une partie de l'un de ses éléments constitutifs,
ledit
élément étant par exemple du zinc ou du magnésium ;
- par réaction chimique d'au moins une partie de l'un de ses éléments
constitutifs avec
un des constituants de l'atmosphère ambiante, notamment l'oxygène. Ledit
élément
constitutif peut être, par exemple, de l'aluminium, du zinc, du magnésium ou
du
phosphore ;
- par échange par diffusion, avec ou sans réaction d'oxydoréduction, d'au
moins un
élément avec l'une desdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40"). L'échange
peut avoir
lieu du matériau de brasage vers la surface attenante et/ou de la surface
attenante vers
le matériau de brasage. Dans le dernier cas, il est possible de revêtir tout
ou partie
desdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") d'un matériau comprenant un
élément, tel
que du nickel, susceptible de diffuser dans le matériau de brasage. L'échange
peut
éventuellement avoir lieu par l'intermédiaire de réactions d'oxydoréduction.
Plus
précisément, ladite composition peut contenir au moins un élément susceptible
de
s'échanger par au moins une réaction d'oxydoréduction avec ladite anode inerte
(2),
ledit élément étant typiquement choisi parmi le magnésium, l'aluminium, le
phosphore, le titane, le zirconium, l'hafnium et le zinc.
Ces mécanismes peuvent être obtenus avec des matériaux de brasage choisis
parmi
les alliages ou mélanges comprenant du cuivre, de l'argent, du manganèse et/ou
du
zinc.
Lesdites surfaces (20, 20', 20", 40, 40', 40") peuvent être revêtues, en tout
ou partie,
d'un matériau mouillable par le ou les matériaux de brasage.
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Selon une variante avantageuse de l'invention, le ou les matériaux de brasage
sont
introduits, en tout ou partie, dans l'espace qui sépare les surfaces (20, 20',
20") et
(40, 40', 40") destinées à être brasées. En d'autres termes, ladite mise en
place
comporte l'introduction d'au moins une partie du ou des matériaux de brasage
entre
5 tout ou partie d'au moins une surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte
(22) de
l'anode (2) et tout ou partie d'au moins une surface (40, 40', 40") de
l'extrémité de
raccordement (42) du conducteur (3, 4, 4', 5).
Selon une autre variante avantageuse de l'invention, le conducteur (3, 4, 4',
5)
10 comporte au moins un réservoir (35), ladite mise en place comporte
l'introduction
d'au moins un matériau de brasage dans au moins un réservoir (35) avant le
traitement thermique, et l'assemblage du conducteur (3, 4, 4', 5) et de
l'anode (2) est
effectué de manière à laisser un espace libre (32, 32') entre le conducteur et
l'anode.
Le ou les matériaux de brasage sont introduits entre tout ou partie d'au moins
une
15 surface (20, 20', 20") de l'extrémité ouverte (22) de l'anode (2) et tout
ou partie d'au
moins une surface (40, 40', 40") de l'extrémité de raccordement (42) du
conducteur
(3, 4, 4', 5) par écoulement dudit matériau lors du traitement thermique.
Le traitement thermique est avantageusement effectué lors de l'utilisation de
l'assemblage anodique (1) dans une cellule d'électrolyse.
Les modes de raccordement connus sont à la température de la partie immergée
de
l'anode, et donc proche de la température du bain d'électrolyse, alors que le
raccordement selon l'invention donne une température très homogène, tout en
maintenant la température de connexion à une valeur nettement inférieure à la
température d'électrolyse, ce qui diminue les contraintes électriques,
mécaniques et
chimiques sur le raccordement.
Essais
Essai 1
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Un essai de raccordement a été effectué avec un dispositif similaire à celui
de la
figure 5.
Dans cet essai, l'anode était en cermet dont la phase céramique comportait un
ferrite
de nickel et la phase métallique était à base de cuivre.
Le matériau de brasage était un alliage CuZn, avec 60 % en poids de Cu et 40 %
en
poids de Zn. L'intervalle de fusion de cet alliage était de 870 à 900 C. Le
raccordement a été préchauffé à 900 C avant l'utilisation de l'anode dans une
cellule
électrolytique dont le bain était à base de cryolithe fondue. La fusion
partielle du
matériau de brasage au moment du préchauffage a suffi à conférer au
raccordement
une connexion électrique satisfaisante. Au démontage, il a été observé que le
zinc
s'était en partie évaporé et oxydé et que l'utilisation avait provoqué un
traitement
complémentaire qui avait entraîné l'augmentation de la température de fusion
du joint
bien au-dessus de 900 C.
Essai 2
Un essai de raccordement a été effectué avec un dispositif similaire à celui
de la
figure 6.
Dans cet essai, l'anode était en cermet ayant la même composition que l'essai
1.
Le matériau de brasage était un alliage CuZn, avec 30 % en poids de Cu et 70 %
en
poids de Zn. L'intervalle de fusion de cet alliage était de 700 à 820 C. Le
traitement
thermique de brasage a été réalisé entièrement in situ. Il a donné un joint
brasé
offrant une connexion électrique stable dans le temps et de faible résistivité
électrique.
Dans les essais 1 et 2, le diamètre extérieur Do de l'anode était typiquement
de l'ordre
de 70 à 75 % de la longueur L de l'anode. Le diamètre intérieur D de l'anode
était
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égal à environ 60 à 65 % du diamètre extérieur. L'épaisseur E de la paroi
latérale était
uniforme.
Listes des repères numériques
1 Assemblage anodique
2 Anode
3 Conducteur de raccordement
4 Conducteur de raccordement intermédiaire
4' Conducteur de raccordement intermédiaire (rallonge)
5 Conducteur de raccordement extérieur
6 Moyen de raccordement extérieur
7 Raccordement intermédiaire
8 Cavité centrale du conducteur de raccordement
9 Résistance chauffante
10 Isolant thermique
20, 20', 20" Surface de raccordement de l'anode
21 Cavité de l'anode
22 Extrémité ouverte
23 Paroi de l'anode
23' Partie latérale de la paroi de l'anode
24 Extrémité fermée de l'anode
Zone de raccordement de l'anode
26 Collerette
25 27 Cavité annulaire
28 Rainure annulaire
29 Epaulement annulaire
Raccordement conducteur/anode
31 Joint métallique brasé
30 31' Matériau de brasage
32, 32' Espace entre les surfaces de raccordement de l'anode et du conducteur
33 Joint complémentaire
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34 Anneau de serrage fileté
35 Réservoir
36 Bague
37 Moyen de fixation
40, 40', 40" Surface de raccordement du conducteur de raccordement
41 Cavité centrale du conducteur de raccordement intermédiaire
42 Extrémité de raccordement
43 Paroi du conducteur de raccordement intermédiaire
44 Rainure annulaire
45 Jupe
46 Epaulement annulaire
200 Ouverture
210 Surface intérieure de l'anode
230 Surface extérieure de l'anode
240 Surface active de l'anode
340 Anneau de serrage
