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CA 02952166 2016-12-13
WO 2016/001741 PCT/1B2015/001109
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ENSEMBLE ANODIQUE
La présente invention concerne un ensemble anodique comprenant un support
d'anode et
une anode pour la production d'aluminium.
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 le
conduire à une
cuve d'électrolyse suivante. La cuve d'électrolyse comprend également au moins
un bloc
anodique suspendu à un support d'anode, tel qu'une traverse, le bloc anodique
étant
plongé partiellement dans un bain électrolytique, au-dessus des blocs
cathodiques. Une
nappe d'aluminium liquide, recouvrant les blocs cathodiques, se forme 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 et le bain électrolytique à une température d'environ 970 C dans
lequel
l'alumine est dissoute. Ce courant d'électrolyse présente une intensité
pouvant atteindre
plusieurs centaines de milliers d'ampères. La suspension du bloc anodique est
alors
réalisée par un élément intermédiaire, capable de véhiculer ce fort courant,
de résister à
ces très fortes températures mais qui est également capable de soutenir le
poids de
l'anode, tel qu'un rondin réalisé en acier.
Or dans un tel dispositif, un flux thermique très important se forme entre
l'anode en
carbone et le support d'anode. Ce transfert thermique représente une perte
énergétique
importante et préjudiciable dans le processus d'électrolyse.
Il a été observé que la réduction ponctuelle de la section transversale du
rondin permettait
d'obtenir une chute de température importante : de 650 C à 320 C pour une
réduction de
la section sur une longueur de rondin de 10 cm environ. En effet, dans la
section solide du
rondin, l'extraction de chaleur vers le support d'anode se fait
essentiellement par
conduction, et la réduction de la section transversale du rondin limite
fortement ce
transfert thermique par conduction. Dans cette configuration, le rondin peut
être formé de
deux portions présentant des sections transversales différentes, et pouvant
être usinées
ou formées d'éléments distincts soudés, pour diminuer la perte d'énergie
thermique par
conduction. Toutefois, cette réduction de section diminue la conductance
électrique et
augmente par conséquent la consommation électrique. De plus, cette solution
présente
un coût financier important car elle nécessite d'usiner au moins une portion à
partir d'un
rondin disponible sous la forme générale d'un cylindre standard. Cette étape
d'usinage
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est également consommatrice de temps et contribue à une perte de matériau
conséquente.
Il est connu de la publication de brevet US6977031 de disposer un disque
isolant
thermiquement entre la paroi inférieure du rondin et le fond d'un manchon
servant à la
fixation du rondin dans un évidement de l'anode. Ce disque isolant
thermiquement,
disposé donc dans le fond de l'évidement permet un meilleur contrôle du trajet
du flux de
chaleur, lequel doit selon l'agencement de US6977031, passer par les côtés de
l'évidement, les parois verticales du manchon puis le rondin afin d'améliorer
l'évacuation
de chaleur depuis l'anode vers le support d'anode. Le résultat obtenu avec
l'agencement
de US6977031 est par conséquent inverse à celui recherché de diminution des
pertes
thermiques depuis l'anode vers le support anodique.
Aussi, l'invention a pour objectif de proposer un dispositif permettant de
limiter les pertes
thermiques sans affecter sa conductance électrique tout en limitant les coûts.
Pour ce
faire, l'invention propose un ensemble anodique pour la production d'aluminium
comprenant une anode, un support d'anode, et un élément de liaison électrique
comportant une portion de scellement et une portion hors-scellement pour
relier
électriquement le support d'anode à l'anode, dans lequel l'anode comprend un
évidement
dans lequel est logé la portion de scellement de l'élément de liaison
électrique et dans
lequel un scellement formé en un matériau électriquement conducteur retient
l'élément de
liaison électrique, l'ensemble anodique comprenant au moins un élément
thermiquement
isolant agencé entre deux parois se faisant face appartenant à la portion hors-
scellement
de l'élément de liaison électrique et/ou au support d'anode pour réduire le
transfert
thermique entre l'anode et le support d'anode lors de la production
d'aluminium.
Ainsi, les pertes thermiques par rayonnement entre les surfaces entre
lesquelles l'élément
thermiquement isolant est intercalé sont empêchées, ce qui permet de réduire
les pertes
thermiques de cet ensemble anodique tout en conservant une liaison électrique
satisfaisante entre le support d'anode et l'anode.
Le scellement permet d'assurer une fonction de conduction électrique tout en
permettant
une solidarisation mécanique entre l'élément de liaison électrique et l'anode.
Le
scellement s'étend typiquement le long de la paroi latérale de la portion de
scellement de
l'élément de liaison électrique. Ce contact latéral entre le scellement et
l'élément de
liaison électrique permet une très bonne conduction électrique, mais également
une très
bonne conductivité thermique entre l'anode et l'élément de liaison électrique.
De préférence, les deux parois se faisant face sont reliées électriquement et
mécaniquement au moyen d'un cordon de matériau électriquement conducteur, plus
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particulièrement un cordon de soudure. Ainsi, le cordon de matériau
électriquement
conducteur assure la tenue mécanique et la conduction électrique dans la zone
où les
deux parois sont séparées par l'élément thermiquement isolant.
Selon une disposition avantageuse, l'élément de liaison électrique s'étend
dans une
direction d'extension entre l'anode et le support d'anode et au moins un
élément
thermiquement isolant s'étend dans un plan transversal à la direction
d'extension. Dans
cette configuration, le transfert thermique selon une section transversale de
l'élément de
liaison électrique est nettement diminué car les pertes thermiques par
rayonnement entre
les surfaces entre lesquelles l'élément thermiquement isolant est intercalé
sont
119 empêchées.
Selon une possibilité préférée, au moins un élément thermiquement isolant est
agencé
entre une paroi de l'élément de liaison électrique et une paroi du support
d'anode. Cette
configuration avec un élément thermiquement isolant intercalé entre l'élément
de liaison
électrique et le support d'anode est particulièrement avantageuse en ce que le
flux
thermique par rayonnement et conduction entre l'élément de liaison électrique
et le
support d'anode est limité. La présence d'un isolant thermique à cette
interface est ainsi
très simple à mettre en oeuvre et très efficace pour limiter les pertes
énergétiques.
De préférence, l'ensemble anodique comprend un cordon de matériau
électriquement
conducteur, plus particulièrement un cordon de soudure, agencé pour relier
électriquement et mécaniquement l'élément de liaison électrique et le support
d'anode.
Ainsi, l'élément de liaison électrique assure le soutien mécanique de l'anode
tout en
favorisant la conduction électrique entre le support d'anode et l'anode.
Il a été observé par la demanderesse que le courant électrique circulant entre
deux pièces
soudées entre elles et dont les parois se font face et sont en contact passe
en quasi-
totalité par les soudures. Le positionnement d'un élément thermiquement
isolant entre ces
parois se faisant face permet donc un gain thermique et n'impact pas la
conductivité
électrique de l'ensemble anodique.
Selon une variante, la portion hors-scellement de l'élément de liaison
électrique délimite
un logement dans lequel est disposé au moins un élément thermiquement isolant.
L'élément thermiquement isolant empêche les pertes thermiques par rayonnement
entre
des parois opposées du logement.
Typiquement, le logement est formé par une encoche dans l'élément de liaison
électrique.
Cette encoche peut être notamment usinée dans l'élément de liaison électrique.
De préférence, l'encoche débouche latéralement de la portion hors-scellement
de
l'élément de liaison électrique de sorte que l'élément thermiquement isolant
est facilement
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introduit dans l'élément de liaison électrique. Cette variante est ainsi très
simple à mettre
en pratique.
Selon une possibilité, la portion hors-scellement de l'élément de liaison
électrique
comprend une première portion et une seconde portion, les première et seconde
portions
étant séparées par au moins un élément thermiquement isolant. Ainsi, le
transfert
thermique par conduction est limité sur la section transversale de la portion
hors-
scellement de l'élément de liaison électrique entre les première et seconde
portions.
De préférence, un cordon complémentaire de matériau électriquement conducteur,
plus
particulièrement un cordon de soudure, est agencé pour recouvrir au moins une
partie
dudit au moins un élément thermiquement isolant et pour relier électriquement
et
mécaniquement la première portion et la seconde portion. La tenue mécanique et
la
conduction électrique entre le support d'anode et l'anode reste ainsi très
satisfaisante,
pour une réduction du transfert thermique importante. L'élément thermiquement
isolant
est en outre protégé par cet enfermement dans le logement.
Avantageusement, l'ensemble anodique comprend en outre un élément
thermiquement
isolant disposé à l'interface entre l'élément de liaison électrique et le
support d'anode.
Ainsi, la réduction du transfert thermique est encore améliorée.
Dans une variante, la première portion disposée du côté du support d'anode
présente une
section transversale réduite par rapport à celle de la seconde portion
disposée du côté de
l'anode et un organe de conduction électrique est agencé pour relier
électriquement la
seconde portion et le support d'anode. Dans cette configuration, la réduction
de la section
de la première portion réduisant le transfert thermique reste sans incidence
sur la
conduction électrique de par la présence l'organe de conduction électrique.
Typiquement, l'élément de liaison électrique comprend une forme sensiblement
cylindrique, telle qu'un rondin en acier. L'acier permet en effet de résister
à
l'environnement corrosif dans la cuve d'électrolyse, aux températures très
élevées et est
suffisamment résistant pour soutenir l'anode.
Selon une possibilité, au moins un élément thermiquement isolant comprend une
forme
de plaque, formée notamment d'une poudre frittée, d'un film ou d'un feutre de
fibres
comprenant au moins un matériau réfractaire. La poudre frittée présente
l'avantage d'être
facilement conformée et est adaptable pour être disposée dans toute
configuration
géométrique de l'ensemble anodique.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront
mieux à la
lecture de la description suivante de modes de réalisation de celle-ci, donnée
à titre
d'exemples non limitatifs et faite en référence aux dessins annexés. Les
figures ne
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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.
5 La figure 1 illustre un ensemble anodique selon un premier mode de
réalisation de
l'invention.
La figure 2 illustre un ensemble anodique selon une variante de réalisation de
l'invention.
La figure 3 illustre un ensemble anodique selon un second mode de réalisation
de
l'invention.
La figure 4 illustre un ensemble anodique selon encore un autre mode de
réalisation de
l'invention.
Comme illustré à la figure 1, l'ensemble anodique 100 comprend une anode 3,
typiquement en carbone, et un support d'anode 4 pour la production d'aluminium
par
électrolyse selon le procédé de Hall-Héroult. L'anode 3 est suspendue au
support d'anode
4 par un élément de liaison électrique 1 comportant une portion de scellement
21
assurant la fixation à l'anode 3 et la, conduction électrique vers l'anode 3,
et une portion
hors-scellement 22 assurant la suspension mécanique de l'anode 3.
L'anode 3 comprend dans sa partie supérieure un évidement 7 dans lequel la
portion de
scellement 21 de l'élément de liaison électrique 1 est logée et fixée par un
scellement 8
en un matériau électriquement conducteur, en fonte par exemple. La portion de
scellement 21 est donc la partie inférieure de l'élément de liaison électrique
1 qui se
trouve prise dans le scellement 8, à contrario de la portion hors-scellement
22 qui s'étend
au-dessus du scellement 8. Il est bien entendu dans le présent document que
tout autre
matériau adapté au scellement 8 peut être utilisé, notamment de la pâte
carbonée
collante. Ce scellement 8 recouvre l'ensemble des surfaces de l'évidement 7 et
de la
portion de scellement 21 de l'élément de liaison électrique 1 logé dans
l'évidement 7. Le
scellement 8 peut sinon s'étendre le long des parois latérales de la portion
de scellement
21 et non sur le dessous.
L'ensemble anodique comporte également un cordon 9 de matériau électriquement
conducteur, agencé pour assurer la liaison électrique et mécanique entre le
support
d'anode 4 et l'élément de liaison électrique 1, plus particulièrement en
partie supérieure
de la portion hors-scellement 22 de l'élément de liaison électrique 1.
L'élément de liaison
électrique 1 est typiquement réalisé en acier et présente une forme de
cylindre. Le cordon
9 peut être formé par une soudure à base de cuivre de type cupro, disposée
latéralement
à l'interface entre l'élément de liaison électrique 1 et le support d'anode 4.
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La figure 1 illustre également dans la portion hors-scellement 22 un élément
thermiquement isolant 6 qui s'étend selon un plan transversal à la direction
d'extension de
l'élément de liaison électrique 1 entre l'anode 3 et le support d'anode 4.
Cette
configuration réduit ainsi efficacement le transfert thermique de l'anode 3
vers le support
d'anode 4. Plus précisement, l'élément de liaison électrique 1 comprend un
logement 5,
formé d'une encoche débouchant latéralement et dans lequel est disposé un
élément
thermiquement isolant 6. Cet élément thermiquement isolant 6 peut être
constitué de tous
matériaux réfractaires adaptés, tels que de la poudre frittée, un film ou un
feutre de fibres,
comprenant au moins un matériau réfractaire.
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 2, la portion hors-scellement
22 de
l'élément de liaison électrique 1 comprend une première portion 11 et une
seconde
portion 12 distincte de la première portion 11 et entre lesquelles un élément
thermiquement isolant 6 est disposé. Le transfert thermique par conduction est
ainsi
nettement diminué de par le fait que la totalité de la section transversale de
l'élément de
liaison électrique 1 est recouverte par l'élément thermiquement isolant 6. La
conduction
électrique est alors assurée par un cordon complémentaire 13 d'un matériau
électriquement conducteur, disposé latéralement à l'élément thermiquement
isolant 6 de
sorte à relier électriquement et mécaniquement la première portion 11 et la
seconde
portion 12.
Le mode de réalisation illustré à la figure 3 diffère des deux modes de
réalisation
précédents notamment en ce que l'élément isolant thermiquement 6 est disposé à
l'interface entre l'élément de liaison électrique 1 et le support d'anode 4.
Comme pour le
mode de réalisation illustré à la figure 1, le cordon 9 est disposé
latéralement à l'élément
isolant 6 pour assurer une liaison électrique et mécanique entre la portion
hors-scellement
22 de l'élément de liaison électrique 1 et le support d'anode 4. Il a été
observé que la
conduction électrique entre l'anode et le support d'anode était principalement
réalisée par
le cordon 9 de soudure et non par les surfaces opposées mises en contact de
sorte qu'un
élément thermiquement isolant peut avantageusement être inséré entre l'élément
de
liaison électrique et le support d'anode sans porter préjudice à la conduction
électrique
globale. Les pertes thermiques par rayonnement peuvent donc être limitées
entre
l'élément de liaison électrique et le support d'anode.
Selon le mode de réalisation illustré à la figure 4, la portion hors-
scellement 22 de
l'élément de liaison électrique 1 comprend une première portion 11 disposée du
coté du
support d'anode 4 et une seconde portion 12 disposée du coté de l'anode 3. La
section
transversale de la première portion 11 est réduite par comparaison à celle de
la seconde
portion 12 pour limiter le transfert thermique. Par ailleurs, l'ensemble
anodique comprend
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un élément thermiquement isolant 6 disposé entre l'élément de liaison
électrique 1 et le
support d'anode 4 et comprend en outre un élément thermiquement isolant 6
disposé
entre la première portion 11 et la seconde portion 12. Un organe de conduction
électrique
14, tel qu'une plaque de cuivre, est agencé de sorte à assurer une liaison
électrique entre
la seconde portion 12 et le support d'anode 4 et repose contre une partie de
la première
portion 11. Dans cette configuration, le transfert thermique est très limité
par la présence
des deux éléments thermiquement isolants 6 et de la section transversale
réduite de la
première portion 11. Par ailleurs, la liaison électrique est assurée par le
cordon 9 et le
cordon complémentaire 13 ainsi que par la plaque de cuivre très conductrice.
La section
de la plaque de cuivre étant réduite, la conduction thermique par ce biais
reste très
limitée.
Ainsi, la présente invention propose un ensemble anodique 100 permettant de
réduire
efficacement la perte thermique entre l'anode 3 et le support anodique 4 par
diminution du
transfert thermique tout en assurant par ailleurs le maintien d'une très bonne
conduction
électrique.
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.
