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CA 02950692 2016-11-29
WO 2016/001743 PCT/1B2015/001116
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REVETEMENT LATÉRAL D'ISOLATION POUR CUVE D'ÉLECTROLYSE
La présente invention concerne une cuve d'électrolyse pour la production
d'aluminium par
électrolyse.
L'aluminium est classiquement produit dans des alumineries, par électrolyse,
selon le
procédé de Hall-Héroult. A cet effet, on prévoit une cuve d'électrolyse
comprenant un
caisson et un revêtement intérieur en matériau réfractaire. La cuve
d'électrolyse
comprend également des blocs cathodiques agencés au fond du caisson, parcourus
par
des barres conductrices destinées à collecter le courant d'électrolyse et à le
conduire à
une cuve d'électrolyse suivante. La cuve d'électrolyse comprend également au
moins un
bloc anodique suspendu à un support anodique, tel qu'une tige et une traverse,
le bloc
anodique étant plongé partiellement dans un bain électrolytique, au-dessus des
blocs
cathodiques. Une nappe d'aluminium liquide se forme sous le bain
électrolytique en
recouvrant les blocs cathodiques au fur et à mesure de la réaction. Le passage
du
courant s'effectue du support d'anode vers la cathode via le bloc anodique, le
bain
électrolytique à une température d'environ 970 C dans lequel l'alumine est
dissoute, et la
nappe de métal. Afin de limiter la corrosion des parois du caisson, du fait de
la
composition chimique du bain électrolytique et de sa température, il est connu
d'utiliser
des blocs de parement interne en matériau carboné que l'on superpose au
revêtement
intérieur du caisson. Toutefois, malgré la présence de ces blocs de parement
interne et
du revêtement intérieur, la perte thermique au travers des parois du caisson
reste très
importante, ce qui est préjudiciable au rendement énergétique général, à la
durée de vie
de la cuve, et au bon fonctionnement du procédé d'électrolyse.
Un des buts de la présente invention vise à pallier cet inconvénient. Pour ce
faire,
l'invention propose une cuve d'électrolyse destinée à contenir un bain
électrolytique, la
cuve d'électrolyse comprenant un caisson comportant des parois latérales, et
un
revêtement latéral d'isolation recouvrant les parois latérales, le revêtement
latéral
d'isolation comprenant :
des éléments thermiquement isolants en matériau compressible,
des éléments de calage en matériau réfractaire présentant au moins une face
latérale, les
éléments thermiquement isolants et les éléments de calage étant apposés de
façon
alternée contre au moins une paroi latérale du caisson, et
des blocs de parement interne agencés pour protéger le caisson, les éléments
thermiquement isolants et les éléments de calage du bain électrolytique, la
distance entre
deux éléments de calage adjacents étant adaptée de sorte que chaque bloc de
parement
interne prend appui contre la face latérale d'au moins deux éléments de
calage.
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Dans cette configuration, la paroi du caisson est en partie recouverte
d'éléments
thermiquement isolants pouvant être en matériau compressible, qui limitent
fortement les
pertes thermiques et protègent la paroi du caisson des fortes chaleurs
dégagées par le
bain électrolytique et l'aluminium liquide. Par ailleurs, les éléments de
calage réfractaire
intercalés entre les éléments thermiquement isolants en matériau compressible
permettent de limiter ou d'éviter le tassement des éléments thermiquement
isolants lors
de la construction et le fonctionnement de la cuve, sans pour autant former un
pont de
conduction thermique préjudiciable vers la paroi du caisson. Les éléments
thermiquement
isolants ne subissent pas de compression préjudiciable entre la paroi latérale
du caisson
et les blocs de parement interne, de sorte qu'ils ne sont pas écrasés et
conservent leur
capacité d'isolation thermique. L'utilisation d'éléments thermiquement
isolants en
matériau compressible ainsi rendue possible permet de limiter les coûts de
matière
première et de mise en oeuvre pour un bilan thermique amélioré et facilement
ajustable.
Par élément thermiquement isolant en matériau compressible, on entend tout
élément qui
serait écrasé, et donc dégradé par les blocs de parement interne, lors de la
fabrication ou
du fonctionnement de la cuve, sans la présence des éléments de calage. Les
éléments
thermiquement isolants en matériau compressible peuvent être de structure
aérée,
notamment à base de fibres.
Avantageusement, chaque élément de calage présente une épaisseur égale ou
supérieure à l'épaisseur des éléments thermiquement isolants.
Avantageusement, le revêtement latéral d'isolation comprend en outre des
éléments de
protection en matériau réfractaire, disposés entre les éléments thermiquement
isolants et
les blocs de parement interne. Ces éléments de protection protègent les
éléments
thermiquement isolants disposés derrière contre une éventuelle imprégnation de
bain
électrolytique au travers des blocs de parement interne de sorte que la
protection de
l'isolation thermique est renforcée dans le temps.
Selon une disposition, l'espace entre deux éléments de calage adjacents loge
des
éléments de protection. Dans cette configuration, les éléments de protection
ne
recouvrent pas les éléments de calage mais seulement les éléments
thermiquement
isolants.
De préférence, chaque élément de calage présente une épaisseur sensiblement
identique
à l'épaisseur cumulée d'un élément de protection et d'un élément thermiquement
isolant
de sorte que les éléments thermiquement isolants sont libres de compression.
Cet
agencement permet ainsi de conserver la tenue et la capacité d'isolation
thermique des
éléments thermiquement isolants en matériau compressible pendant toute la
durée de la
vie de la cuve.
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Les éléments thermiquement isolants présentent un coefficient d'isolation
thermique
supérieur à celui des éléments de calage et à celui des éléments de
protection. Ainsi il est
possible d'utiliser des éléments thermiquement isolants de faible épaisseur.
Leur
présence impacte très peu le volume intérieur résiduel du caisson pour une
isolation
thermique efficace. Ainsi, ces éléments permettent de diminuer les pertes
thermiques au
niveau des parois latérales du caisson sans nécessiter de réduire les
dimensions des
blocs cathodiques présents dans le caisson et donc l'efficacité du procédé
d'électrolyse.
Avantageusement, la longueur de chaque élément thermiquement isolant, mesurée
selon
l'axe longitudinal de la paroi respective du caisson, est supérieure à celle
de chaque
élément de calage. Cette disposition permet d'optimiser l'isolation thermique
du caisson et
de limiter les ponts thermiques.
Typiquement, la longueur de chaque élément thermiquement isolant, mesurée
selon l'axe
longitudinal de la paroi respective du caisson, est au moins quatre fois plus
importante
que celle de chaque élément de calage.
De préférence, le revêtement latéral d'isolation comprend en outre des plaques
de
parement externe, avantageusement en carbure de silicium (SiC), s'étendant
contre la au
moins une paroi latérale du caisson et disposées à l'aplomb au-dessus des
éléments de
calage, des éléments thermiquement isolants, et le cas échéant des éléments de
protection. Ces plaques protègent ainsi de la corrosion les éléments
thermiquement
isolants par au-dessus, et le caisson. Elles favorisent en outre l'évacuation
localisée et
controlée du flux de chaleur au niveau d'une surface choisie.
Avantageusement, chaque plaque de parement externe présente une épaisseur
sensiblement identique à celle de chaque élément de calage. Ainsi, les
tranches latérales
des éléments thermiquement isolants et le cas échéant des éléments de
protection sont
recouvertes et protégées verticalement de l'environnement corrosif de la cuve
d'électrolyse.
Avantageusement, les plaques de parement externe sont formées de façon
monobloc
avec les blocs de parement interne.
Selon une possibilité, le matériau compressible de l'élément thermiquement
isolant est en
'matériau fibreux, tel qu'un matériau de fibres de verre, de fibres de
carbone, de fibres de
roche, ou de fibres de chanvre. Il peut aussi être de type super isolant micro-
poreux ou
encore à base de perlite, diatomite ou silicate de calcium.
Avantageusement, le matériau compressible des éléments thermiquement isolants
présente une conductivité thermique inférieure à 0.5W/m.K (mesure via la
méthode ASTM
C201 à température ambiante).
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Avantageusement, les éléments thermiquement isolants en matériau compressible
sont
entourés d'une couche de matériau résistant à la corrosion par des vapeurs
d'électrolyte.
Des vapeurs d'électrolyte fortement corrosives peuvent en effet s'infiltrer et
se propager
au cours de la vie de la cuve d'électrolyse contre les parois latérales du
caisson et
dégrader le matériau compressible de l'élément thermiquement isolant. Enfermer
le
matériau compressible dans une couche de matériau résistant à la corrosion par
des
vapeurs d'électrolyte (ou pare-vapeur) permet de le protéger et élargir la
gamme de
matériaux utilisables pour la réalisation de l'élément thermiquement isolant.
La couche de matériau résistant à la corrosion par des vapeurs d'électrolyte
est
avantageusement formé d'un film d'aluminium.
Avantageusement, les éléments de calage montrent une résistance à la
compression
supérieure à 10 MPa.
Avantageusement, les éléments de calage présentent une conductivité thermique
inférieure à la conductivité thermique des blocs de parement interne et, le
cas échéant
des plaques de parement externe.
Les éléments de calage ne forment donc pas de ponts de conduction thermique
préjudiciables vers la paroi du caisson entre les éléments thermiquement
isolants.
Selon une possibilité, les éléments de calage présentent une conductivité
thermique
inférieure à 2 W/m.K (mesure via la méthode ASTM C201 à température ambiante).
Avantageusement, les éléments de calage sont constitués de briques
réfractaires, par
exemple silico-alumineuses, ou de plaques de mica, qui présentent une bonne
résistance
à la compression et une faible conductivité thermique.
Typiquement, les éléments de protection sont en matériau identique, ou de type
identique,
à celui des éléments de calage.
Avantageusement, les blocs de parement interne sont constitués de matériau à
base de
carbone, et plus particulièrement à base de SiC, qui assurent au caisson
d'atteindre une
bonne longévité malgré les conditions d'électrolyse très corrosives. D'autres
aspects, buts
et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la
description
suivante d'un mode de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemple non
limitatif et faite
en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement
l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur
lisibilité. Dans la suite
de la description, par souci de simplification, des éléments identiques,
similaires ou
équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références
numériques.
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La figure 1 illustre une vue schématique partielle de l'intérieur d'une cuve
d'électrolyse
selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 illustre une autre vue schématique partielle de l'intérieur d'une
cuve
d'électrolyse selon un mode de réalisation de l'invention.
5 La figure 3 illustre encore une vue schématique partielle de l'intérieur
d'une cuve
d'électrolyse selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 est une vue en section partielle de l'intérieur d'une cuve
d'électrolyse selon le
mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 3.
Comme illustré à la figure 1, la cuve d'électrolyse 100 comprend un caisson
200 et un
revêtement d'isolation latéral comprenant des éléments thermiquement isolants
1 et des
éléments de calage 2 apposés en alternance contre une paroi 3 latérale du
caisson 200.
Ces éléments thermiquement isolants 1 sont recouverts d'éléments de protection
4 (figure
2) que viennent à leur tour recouvrir des blocs de parement interne 5 prenant
appui contre
les éléments de calage 2 (figure 3). Des plaques de parement externe 6
s'étendent
également contre la paroi 3 latérale du caisson 200 et à l'aplomb au-dessus
des éléments
de calage 2, des éléments thermiquement isolants 1 et des éléments de
protection 4.
(figure 3).
Les éléments thermiquement isolants 1 sont protégés contre une compression
entre la
paroi latérale du caisson 200 et les blocs de parement interne 5 par la
disposition des
éléments de calage 2 de sorte qu'ils peuvent être réalisés en un matériau
thermiquement
isolant compressible. Le matériau thermiquement isolant compressible peut être
par
exemple un matériau fibreux constitué de fibres de verre, de fibres de
carbone, de fibres
de roche, ou de fibres de chanvre. Le matériau thermiquement isolant
compressible peut
encore être par exemple de type super isolant micro-poreux ou encore à base de
perlite,
diatomite ou silicate de calcium.
Les éléments thermiquement isolants 1 en matériau compressible présentent un
coefficient d'isolation thermique élevé de sorte qu'une faible épaisseur de ce
matériau
compressible suffit à assurer une bonne isolation thermique de la paroi du
caisson qu'ils
recouvrent.
Les éléments de calage 2 comprennent un matériau réfractaire, tel que de la
brique
réfractaire silico-alumineuse ou des plaques de mica. Les éléments de calage
doivent
protéger les éléments thermiquement isolants d'un écrasement et contribuer
avantageusement à l'isolation thermique. Ces éléments de calage 2, de même que
les
éléments de protection 4, présentent globalement des propriétés d'isolation
thermique
inférieures à celles des éléments thermiquement isolants 1, même s'ils restent
de bons
isolants. Ils présentent une conductivité thermique inférieure à 2 W/m.K. La
longueur de
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chaque élément thermiquement isolant 1, mesurée selon l'axe longitudinal de la
paroi 3
du caisson 200 (axe x, figure 1), est alors choisie pour être plus importante
que celle de
chaque élément de calage 2. Typiquement, un rapport de longueur de un pour
quatre et
de préférence de un pour cinq est appliqué pour l'obtention d'une réduction
optimale de
perte thermique au niveau des parois 3 du caisson 200.
Par ailleurs, l'épaisseur de chaque élément de calage 2 est égale ou
supérieure à celle de
l'élément thermiquement isolant 1. De plus, la distance prévue entre deux
éléments de
calage 2 adjacents est inférieure à la longueur d'un bloc de parement interne
5 selon l'axe
longitudinal x de la paroi 3 du caisson 200 de sorte qu'un bloc de parement
interne 5 peut
prendre appui contre au moins deux éléments de calage 2. Ainsi, chaque bloc de
parement interne 5 repose contre au moins deux éléments de calage 2. Ces
derniers
présentent une résistance à la compression supérieure à 10 MPa de sorte qu'ils
sont
suffisament rigides et incompressibles pour éviter que les blocs de parement
interne 5 ne
tassent les éléments thermiquement isolants 1 en matériau compressible qui
présenteraient sinon des propriétés d'isolation thermiques diminuées.
Le bloc de parement interne 5 est en un matériau à base de carbone. Il a pour
vocation
de contribuer à protéger la paroi 3 du caisson 200 et les éléments
thermiquement isolants
1 de la corrosion par l'aluminium liquide et/ou le bain électrolytique de
température très
élevée. Il est destiné à recouvrir la totalité des éléments thermiquement
isolants 1, des
éléments de calage 2 et au moins une partie des éléments de parement externe
6.
Comme illustré à la figure 2, des éléments de protection 4 peuvent être
introduits entre les
éléments thermiquement isolants 1 et les blocs de parement interne 5, dans
l'espace
ménagé entre deux éléments de calage 2 adjacents. Chaque élément de calage 2
présente en effet une épaisseur sensiblement identique à l'épaisseur cumulée
d'un
élément de protection 4 et d'un élément thermiquement isolant 1. Ces éléments
de
protection 4 , qui sont en matériau réfractaire, permettent de protéger
l'isolation dans le
temps et de compléter l'isolation thermique fournie par les éléments
thermiquement
isolants 1. Les éléments de protection 4 peuvent être de même composition que
les
éléments de calage 2.
Comme illustré à la figure 3, des plaques de parement externe 6 en matériau à
base de
carbure de silicium (SiC), d'une épaisseur sensiblement identique à celle des
éléments de
calage 2, recouvrent la tranche latérale supérieure des éléments thermiquement
isolants
1, des éléments de calage 2 et des éléments de protection 4 entre la paroi 3
intérieure du
caisson 200 et les blocs de parement interne 5. Cet agencement permet de
protéger les
différents éléments vis-à-vis de la corrosion et d'assurer à l'endroit
approprié un échange
thermique approprié entre le bain électrolytique, la paroi du caisson et
l'atmosphère
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extérieure pour la création d'un talus de cryolithe protégeant les blocs de
parement
interne 5.
Selon une possibilité non illustrée, toutes les parois 3 latérales du caisson
sont
recouvertes par les éléments thermiquement isolants 1, les éléments de calage
2, les
éléments de protection 4, les blocs de parement interne 5 et les plaques de
parement
externe 6 . Ainsi, le caisson 200 présente un profil thermique optimale.
La figure 4 est une vue partielle en section de la cuve d'électrolyse
illustrant le caisson
200, les éléments thermiquement isolants 1 apposés directement contre une
paroi 3 du
caisson 200 et adjacents à des éléments de protection 4, protégés par des
blocs de
parement interne 5 et des plaques de parement externe 6.
Ainsi, la présente invention propose und cuve d'électrolyse dotée d'un
revêtement latéral
d'isolation permettant de réduire efficacement la perte thermique grâce à une
isolation
optimale et peu encombrante.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation
décrits ci-dessus à
titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les
variantes
des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.
