Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
1
RACLEUR D'UN ORGANE DE PERCAGE D'UNE CROïi'TE DE BAIN
D'UNE CELLULE D'ÉLECTROLYSE DESTINÉE A LA PRODUCTION
D'ALUNIINIUM
Domaine de l'invention
L'invention concerne les équipements de cellules d'électrolyse destinées à la
production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult.
Elle
concerne en particulier les dispositifs de perçage des croûtes de bain
solidifié
desdites cellules d'électrolyse.
Etat de la technique
Le fonctionnement d'une cellule de production d'aluminium par électrolyse
ignée
d'alumine dissoute dans un bain à base de cryolithe entraîne une évolution
permanente de la composition du bain. D'une part, l'alumine est consommée par
les
réactions d'électrolyse et, d'autre part, la quantité et la composition du
bain sont
progressivement modifiées par des mécanismes secondaires, tels que
l'absorption de
constituants de la cryolithe par les parois de la cellule ou la décomposition
des
constituants fluorés par les effets d'anode. Il est par conséquent nécessaire
d'ajouter
régulièrement de l'alumine et des composés de bain, tels que de la cryolithe
(Na3A1F6) ou du fluorure d'aluminium (A1F3), afin de stabiliser les paramètres
de
fonctionnement de la cellule.
L'alumine et les composés de bain sont généralement introduits dans le bain
sous
forme de poudre. Afin de pouvoir introduire la matière pulvérulente dans le
bain
d'électrolyte, on équipe les cellules d'électrolyse d'un ou plusieurs
distributeurs de
matières pulvérulentes associés à un dispositif de perçage de la croûte
d'alumine et
d'électrolyte figé qui recouvre la surface du bain en fonctionnement normal.
Le
dispositif de perçage comporte généralement un vérin et un organe de perçage
(souvent appelé "piqueur", "plongeur" ou "pointerolle") fixé à l'extrémité de
la tige
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
2
du vérin. Le piqueur, placé en général de manière verticale, est abaissé par
activation
du vérin et brise la croûte d'alumine et de bain solidifié. Les dispositifs de
piquage
comportent aussi, en général, un racleur destiné à éliminer les dépôts de bain
solidifié
qui tendent à se former sur les piqueurs.
Le brevet français FR 2 455 093, FR 2 487 386 (correspondant au brevet
américain
US 4 431491) et FR 2 527 647 (correspondant au brevet américain US 4 437 964)
au
nom d'Aluminium Pechiney décrivent des dispositifs d'alimentation ponctuelle
en
alumine d'une cellule d'électxolyse destinée à la production d'aluminium. Ces
dispositifs, connus sous le nom de "piqueur-doseur" lorsqu'ils sont regroupés,
comportent des moyens d'alimentation en alumine et un dispositif de perçage de
la
croûte d'alumine et de bain solidifié. Le dispositif de perçage est muni d'un
racleur
qui enserre étroitement le piqueur.
Toutefois, le bain solidifié forme quelquefois une enveloppe à la surface de
l'organe
de perçage qui peut bloquer l'organe dans le racleur. La demanderesse a
cherché des
moyens pour éviter cet inconvénient.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un racleur d'un organe de perçage (tel qu'un piqueur,
un
plongeur ou une pointerolle) utilisable pour former une ouverture dans une
croûte
d'alumine et de bain solidifié d'une cellule d'électrolyse ignée par un
mouvement de
va-et-vient de l'organe de perçage le long d'un axe de translation T.
Le racleur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte au moins
trois doigts
disposés autour d'un axe de référence S destiné à coïncider avec ledit axe de
translation T en utilisation de façon à former un espace, appelé
"détalonnage", entre
les doigts et l'organe de perçage, et en ce que chaque doigt comprend au moins
un
organe de raclage formant saillie en direction de l'organe de perçage.
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
3
La demanderesse a eu l'idée de décomposer le racieur en un ensemble d'organes
de
raclage, séparés les uns des autres, de diminuer la surface de contact avec le
racleur
et de disposer les organes de raclage sur une pluralité de doigts séparés
angulairement les uns des autres. Cette approche permet d'éviter le blocage de
l'organe de perçage en limitant l'effort nécessaire pour le dégager en cas
d'accumulation de croûte de bain entre les organes de raclage et l'organe de
perçage.
En outre, la demanderesse a eu l'idée d'éloigner sensiblement les doigts de
l'organe
de perçage du dispositif de perçage afin de favoriser l'accumulation des
débris de
croûte de bain au-dessus les organes de raclage, plutôt que leur insertion
entre la
gaine et l'organe de perçage. Les débris accumulés peuvent aisément s'évacuer
par
l'espace formé par l'écartement entre les doigts du racleur.
L'invention est particulièrement adaptée aux cellules d'électrolyse destinées
à la
production d'aluminium.
L'invention a également pour objet un dispositif de perçage destiné à une
cellule de
production d'aluminium par électrolyse ignée et comportant un racleur selon
l'invention.
L'invention a encore pour objet un piqueur-doseur destiné à une cellule de
production
d'aluminium par électrolyse ignée et comportant un racleur selon l'invention.
L'invention a encore pour objet un dispositif de piquage et de mesure destiné
à une
cellule de production d'aluminium par électrolyse ignée et comportant un
racleur
selon l'invention.
L'invention a en outre pour objet l'utilisation du racleur selon l'invention
dans une
cellule d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse
ignée.
L'invention est décrite en détail ci-après à l'aide des figures annexées.
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
4
La figure 1 représente, de manière simplifiée, une vue intérieure partielle
d'une
cellule d'électrolyse typique destinée à la production d'aluminium par
électrolyse
ignée, vue en section verticale.
La figure 2 donne une vue en perspective d'un mode de réalisation préféré du
racleur
selon l'invention.
La figure 3 donne une vue de côté du racleur de la figure 2.
Les figures 4 et 5 en donnent des vues en coupe du racleur de la figure 2
selon les
plans de coupe indiqués à la figure 3.
La figure 6 donne une vue en perspective du racleur de la figure 2 fixé à
l'extrémité
d'un dispositif de perçage.
Tel qu'illustré à la figure 1, une cellule d'électrolyse (1) pour la
production
d'aluminium par électrolyse ignée, c'est-à-dire par électrolyse en sel fondu,
comprend
une cuve (2), une ou plusieurs anodes (3) - typiquement des anodes précuites
en
matériau carboné - et des moyens d'alimentation en matières pulvérulentes (20,
30),
qui sont généralement fixés à une superstructure (4) disposées au-dessus de la
cuve.
La cuve d'électrolyse (2) comprend des éléments de revêtement intérieur (non
illustré) et un ensemble cathodique (5) qui forment à l'intérieur de la cuve
(2) un
creuset apte à contenir le bain d'électrolyte (7) et une nappe d'aluminium
liquide (6)
lorsque la cellule est en fonctionnement. Les anodes (3) sont normalement
partiellement immergées dans le bain d'électrolyte liquide (7) et les cellules
sont
conduites de manière à former une croûte d'alumine et de bain solidifié (10)
au-
dessus du bain d'électrolyte.
Les moyens d'alimentation en matières pulvérulentes (20, 30) comprennent
généralement un distributeur de matières pulvérulentes (20) et un dispositif
de
perçage (30).
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
Le distributeur de matières pulvérulentes (20) comporte typiquement une trémie
(21),
destinée à contenir une réserve de matière pulvérulente, et une goulotte (22)
fixée à
la partie inférieure de la trémie et destinée à acheniiner la matière
pulvérulente
5 jusqu'à proximité d'une ouverture (11) dans la croûte (10).
Le dispositif de perçage (30) comporte un actionneur (31) et un organe de
perçage
(33) (souvent appelé "piqueur", "plongeur" ou "pointerolle") fixé à
l'extrémité de la
tige de l'actionneur, qui est typiquement située dans une gaine ou fourreau
(32).
L'organe de perçage (33) est généralement disposé de manière à entrer et
sortir du
dispositif de perçage (30) par une ouverture située à l'extrémité libre (34)
de la gaine
ou du fourreau (32). L'organe de perçage (33) permet de former une ouverture
(11)
dans une croûte (10) d'alumine et de bain solidifié par un mouvement de va-et-
vient
de l'organe de perçage (33) le long d'un axe de translation T, qui est
typiquement
vertical ou légèrement incliné par rapport à la verticale. La section
transversale de
l'organe de perçage (33) est typiquement circulaire. L'actionneur (31) est
typiquement un actionneur pneumatique, tel qu'un vérin pneumatique. Un racleur
(40) assure le nettoyage de l'organe de perçage lors de ses mouvements de va-
et-
vient.
Un distributeur de matières pulvérulentes peut être associé à un ou plusieurs
dispositifs de piquage déterminés ou, inversement, un dispositif de piquage
peut être
associé à un ou plusieurs distributeurs de matières pulvérulentes déternvnés.
Les
cellules d'électrolyse sont fréquemment munies d'un ou plusieurs dispositifs
regroupant un distributeur de matières pulvérulentes et un dispositif de
piquage. Ces
dispositifs sont connus sous le nom de dispositifs de piquage et
d'alimentation
("Crustbreaking and Feeding Device" en anglais).
En fonctionnement, au moins une ouverture (l1) est formée (ou éventuellement
maintenue ouverte) dans ladite croûte (10), entre les anodes (3), à l'aide du
ou des
dispositifs de perçage (30) et de la matière pulvérulente est introduite dans
le bain
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
6
d'électrolyte (7) par l'ouverture (11) (ou par au moins une ouverture
lorsqu'il y en a
plusieurs).
Le racleur (40) selon l'invention comporte une pluralité de doigts (42)
disposés
autour d'un axe de référence S destiné à être confondu avec ledit axe de
translation T
en utilisation. Les doigts (42) sont disposés de façon à libérer un espace
(44), appelé
"détalonnage", entre les doigts (42) et l'organe de perçage (33). Chaque doigt
(42)
comprend au moins un organe de raclage (43) formant saillie en direction de
l'organe
de perçage (33).
Les figures 2 à 6 illustrent un mode de réalisation préféré d'un racleur selon
l'invention.
Le racleur (40) selon l'invention comporte au moins trois doigts (42) et de
préférence
au moins 6 doigts. Le nombre de doigts est typiquement compris entre 6 et 10
inclusivement. L'exemple de réalisation de l'invention illustré aux figures 3
à 6
comporte six doigts.
Le détalonnage (44) entre les doigts (42) et l'organe de perçage (33) - c'est-
à-dire la
largeur E de l'espace séparant la surface intérieure (421) des doigts (42) et
la surface
extérieure latérale (331) de l'organe de perçage (33) - est avantageusement
supérieur
à 10 mrn.
La longueur LI des doigts (42) est de préférence supérieure à 100 mm.
Les doigts (42) sont disposés de manière à former un espace, appelé
"écartement",
(422, 423) entre eux.
La section transversale des doigts (42) est avantageusement sensiblement
uniforme
sur au moins 50 % de leur longueur L1 afin de maintenir, sur une longueur
significative, un écartement (422, 423) entre les doigts suffisant pour
permettre une
évacuation aisée des débris de croûte de bain arrachés par les organes de
raclage
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
7
(43). Les doigts (42) sont de préférence droits et parallèles à l'axe de
référence S du
racleur.
Afin de permettre une évacuation efficace des débris de croûte de bain
produits par le
raclage, l'écart Cm entre les points les plus rapprochés de la surface des
doigts
adjacents est de préférence supérieur à 10 mm, et de préférence encore
supérieur à 20
mm, sur au moins 50 % de leur longueur LI. Afin de favoriser l'évacuation des
débris de croûte de bain vers l'extérieur du racleur, l'écart C entre les
doigts adjacents
croît de préférence en s'éloignant de l'axe S, c'est-à-dire entre l'intérieur
et l'extérieur
du racleur, de façon à former une ouverture qui s'évase vers l'extérieur. Dans
l'exemple illustré à la figure 5, l'écart C croît entre l'extrémité intérieure
(425) des
doigts et leur extrémité extérieure (426). De préférence, les doigts (42)
comportent
au moins un premier (424) et un deuxième (424') éléments de surface plans
disposés
de telle façon que le premier élément de surface (424) de chaque doigt et le
deuxième
élément de surface (424') d'un doigt adjacent sont en regard d'une de l'autre
et sont
inclinés angulairement l'une par rapport à l'autre de façon à former une
ouverture qui
s'évase vers l'extérieur du racleur. Par rapport audit axe S, lesdites
surfaces en regard
(424, 424') sont de préférence écartées angulairement d'un angle a supérieur à
101,
afin de former entre les doigts un écartement (422, 423) suffisant pour
permettre
l'évacuation des débris de croûte de bain produits par le raclage.
L'espacement angulaire centre à centre (3 entre les doigts est typiquement
compris
entre 20 et 90 .
Chaque organe de raclage (43) est de préférence disposé sur les doigts (42) de
façon
à libérer un espace (45), appelé "espace de raclage", entre l'organe de
raclage (43) et
l'organe de perçage (33). Plus précisément, chaque organe de raclage (43)
comporte
une extrémité (431), dite':extrémité de raclage", située à une distance
déterminée Dl
dudit axe S de façon à libérer ledit espace de raclage. La distance déterminée
D1 est
avantageusement la même pour toutes les extrémités de raclage (431). L'espace
de
raclage (45) est typiquement compris entre 1 et 5 mm inclusivement.
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
8
La distance de raclage Dl est plus faible que le détalonnage (44)
(correspondant à un
écart E constant dans le mode de réalisation illustré aux figures 3 à 6).
L'organe de
raclage (43) forme ainsi une saillie tournée du côté de l'organe de perçage
(33).
De manière avantageuse, chaque organe de raclage (43) est situé à l'extrémité
libre
(420) de chaque doigt (42).
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'extrémité de raclage
(431)
prend la forme d'une surface concave. La longueur L2 de cette surface, dans le
sens
de l'axe S, est typiquement comprise entre 10 mm et 50 mm, et plus typiquement
comprise entre 10 mm et 30 mm. L'aire de la surface concave est typiquement
comprise entre 10 et 1000 mme. Ladite surface concave est typiquement
parallèle à la
surface extérieure latérale (331) de l'organe de perçage (33), c'est-à-dire
qu'elle
épouse la forme de la surface extérieure latérale (331).
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'extrémité de raclage
(431) prend
la forme d'une pointe ou d'une arête.
Les doigts (42) sont typiquement fixés à un élément de support (41). Les
organes de
raclage (43) sont de préférence disposés à une distance déterminée D3 de
l'élément
de support (41) au moins égale à 100 mm.
Le racleur (40) est avantageusement amovible afin de pouvoir le changer,
notamment
en cas d'endommagement ou d'usure. Dans ce cas, l'élément de support (41)
comporte typiquement des moyens de fixation (410, 411), tels qu'une collerette
ou
une bride (410) munies de trous débouchants (411). Les moyens de fixation
(410,
411) permettent, par exemple, de fixer le racleur à un dispositif de perçage,
typiquement à l'extrémité (34) d'un fourreau (ou gaine) (32) duquel émerge
l'organe
de perçage (33). L'élément de support ou corps (41) et les doigts (42) sont
typiquement d'une seule pièce.
Les doigts (42) sont typiquement en acier afin d'assurer une rigidité
suffisante.
CA 02570550 2006-11-29
WO 2006/010818 PCT/FR2005/001573
9
Les figures 4 et 5 illustrent différents paramètres d'un racleur selon un mode
de
réalisation préféré de l'invention, dans lequel les doigts sont droits et
possèdent une
section transversale sensiblement uniforme sur plus de 50 % de leur longueur
Li, et
pour un organe de perçage (33) de section circulaire. Dans ces figures, R est
le rayon
de l'organe de perçage (33), D1 est ladite distance déterminée, D2 est la
distance
entre l'axe S et l'axe central des doigts (42) et E est ledit détalonnage.
Le racleur (40) selon l'invention peut avantageusement équiper les dispositifs
de
perçage (30) utilisés dans les cellules de production d'aluminium par
électrolyse
ignée ayant un organe de perçage mobile en translation le long d'un axe T. En
particulier, il peut avantageusement équiper les piqueurs-doseurs destinés aux
cellules de production d'aluminium par électrolyse ignée, tels que ceux
décrits ci-
dessus. Le racleur (40) selon l'invention peut également équiper les
dispositifs de
piquage et de mesure, tels que celui qui est décrit dans le brevet EP 0 716
165
(correspondant au brevet américain US 6 065 867) au nom d'Aluminium Pechiney.
Dans ces derniers dispositifs, l'organe de perçage comporte en outre des
moyens de
mesure, tels qu'un thermocouple, ou sert de moyen de mesure (il peut servir
par
exemple de pointe de contact électrique pour détecter l'entrée en contact de
l'organe
et du bain d'électrolyte liquide lors de ses mouvements verticaux).
