Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2005/051833 PCT/FR2004/002972
I
DISPOSITIF DE MANUTENTION D'UNE CUVE D'ELECTROLYSE
DESTINÉE Ä LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention
L'invention concerne les usines de production d'aluminium par électrolyse
ignée
selon le procédé de Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement les
appareils de
manutention utilisés dans lesdites usines.
I0
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 de cryolithe fondue, appelé
bain
I S d'électrolyte, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Les cellules
d'électrolyse
destinées à la production d'aluminium comportent une cuve munie de cathodes et
des
anodes en matériau carboné partiellement immergées dans le bain d'électrolyte.
La
cuve comporte un caisson en acier, des éléments de revêtement en matériaux
réfractaires et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. La demande de
20 brevet fraxiçais FR 2 806 742 (correspondant au brevet américain IJS 6 409
894)
décrit plus en détails la structure typique des usines destinées à la
production
d'aluminium et des cellules qu'elles contiennent.
En fonctionnement, une usine d'électrolyse nécessite des interventions sur les
cellulés
25 d'électrolyse, telles que les changements d'anode et la réfection des
cuves. Pour
effectuer ces interventions, les usines les plus modernes sont équipées
d'unités de
levage et de manutention comportant un pont roulant, qui peut étre translaté
au-
dessus des cellules d'électrolyse et le long de celles-ci, et au moins un
chariot muni
d'organes de manutention et d' intervention.
La réfection d'une cuve inclut des opérations de "débrasquage" et de
"rebrasquage"
de celles-ci. Ces opérations sont destinées à renouveler le creuset formé par
le
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revêtement intérieur et les éléments cathodiques de la cuve. Ces opérations
peuvent
être effectuées sur place, c'est-à-dire sans retirer la cuve de la cellule
correspondante,
mais elles peuvent nuire au fonctionnement des cellules et à l'entretien des
salles
d'électrolyse. En effet, ces opérations produisent des poussières, provoquent
un va-et-
vient de matériaux neufs et usagés dans les salles d'électrolyse et réduisent
la
production d'une série de cellules par l'arrêt de la cellule correspondante
durant les
travaux. Afin d'éviter ces inconvénients, il est préférable d'effectuer la
réfection des
cuves dans une salle spécifique destinée à la réfection des cuves et située en
dehors
de la salle d'électrolyse.
Les unités de levage et de manutention utilisées pour le transport des cuves
d'électrolyse entre la salle de réfection et la (ou les) salles) d'électrolyse
comportent
généralement un ou deux chariots munis de moyens de levage. Lors des
opérations
de réfection, on fixe généralement un ou plusieurs palonniers au caisson de la
cuve et
on manipule la cuve par l'intermédiaire du ou des palonniers. Les moyens
connus
présentent toutefois (inconvénient de ne pas maîtriser la déformation de la
cuve sous
(effet de son propre poids, ce qui risquerait d'entraîner une détérioration
des
"brasquages" qui pourrait limiter sensiblement la durée d'utilisation de la
cuve. La
demanderesse a donc recherché des moyens qui permettent d'éviter ces
inconvénients.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un dispositif de manutention d'une cuve de cellule
d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée,
ladite cuve
étant rectangulaire, ayant un axe principal X et comportant un caisson
métallique
muni d'un rebord au moins sur les côtés longs de la cuve, ledit dispositif
comportant
au moins un moyen d'accrochage destiné à permettre sa préhension par une unité
de
levage et de manutention et étant caractérisé en ce qu'il comporte une
armature
munie d'une pluralité de moyens de fixation rigide répartis de façon à
permettre une
fixation rigide de l'armature au caisson en une pluralité d'endroits
déterminés.
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La demanderesse a eu (idée de rigidifier la cuve à l'aide d'au moins un
élément
rigide, à savoir ladite armature, interposé entre la cuve et (unité de levage
et de
manutention et fixé rigidement en plusieurs endroits du caisson de la cuve.
L'armature permet de maintenir la déformation du caisson de la cuve -
notamment
par flexion longitudinale (c'est-à-dire dans le sens long de la cuve) - dans
un
domaine de tolérance déterminé lorsqu'il est suspendu par une unité de levage
et de
manutention et d'éviter ainsi l'endommagement du revêtement intérieur de la
cuve
durant les opérations de manutention de la cuve.
La répartition de la pluralité de moyens de fixation sur (armature répartit la
charge
sur l'armature, notamment dans le sens de la longueur de la cuve, et permet
ainsi de
minimiser la déformation du caisson sous l'effet du poids de (ensemble en
rapprochant cette déformation de celle du dispositif. Les endroits de fixation
déterminés sont typiquement répartis sur une portion déterminée du pourtour du
caisson. Cette portion couvre typiquement au moins 70 % des côtés longs de la
cuve,
afin de minimiser la partie "flottante" (non fixée) de la cuve.
La flèche de déformation de (armature, sous l'action de son propre poids et de
celui
de la cuve à laquelle le dispositif est fixé, est de préfërence inférieure à ~
5 mm sur
toute la longueur de l'armature (dans le sens long de la cuve), et de
préférence encore
inférieure ou égale à ~ 2 mm.
De prëférence, l'armature comporte une ou deux poutres longitudinales
destinées à
être disposées dans le sens de la longueur de la cuve. Dans le premier cas, la
poutre
est typiquement munie de bras et les moyens de fixation sont situés à
(extrémité de
ces bras. Dans le deuxième cas, les poutres sont de préférence parallèles fane
à
l'autre et sont liées par au moins une traverse, et les moyens de fixation
sont de
préférence répartis sur les poutres, éventuellement à l'extrémité de bras, de
manière à
permettre la fixation de chaque poutre au côté long correspondant de la cuve.
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Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de
manutention
comporte, en outre, des écarteurs réglables destinés à compenser les éventuels
défauts de géométrie de l'armature etlou du caisson.
L'invention a également pour objet l'utilisation d'un dispositif selon
(invention dans
une usine de production d'aluminium par électrolyse ignée.
L'invention a encore pour objet une méthode de manutention d'une cuve de
cellule
d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignëe, qui
peut étre
mise en oeuvre à l'aide d'un dispositif de manutention selon (invention.
L'invention est décrite en détail ci-après à l'aide des figures annexées.
La figure 1 illustre une salle d'électrolyse typique destinée à la production
d'aluminium et équipée d'une unité de levage et de manutention.
La figure 2 représente de manière schématique, en vue du dessus, des variantes
possibles de (armature du dispositif de manutention selon (invention.
Les figures 3 à 5 illustrent un mode de réalisation préfërë du dispositif de
manutention selon (invention.
La figure 3 reprësente le dispositif en vue transversale (A) et en vue de côté
(B). La
figure 3(A) correspond au plan de coupe A-A de la figure 3(B). La figure 3(8)
correspond au plan de coupe B-B de la figure 3(A). La figure 3(B) illustre
également,
de manière schématisée, une cellule d'électrolyse (2) et une unité de levage
et de
manutention (20) en cours de manutention de la cuve (11). La figure 4
représente le
dispositif en vue transversale partielle. La figure 4(B) illustre plus en
détails une
partie d'un moyen de fixation de la cuve au dispositif de manutention. La
figure 5
illustre plus en détails, en vue de côté, le mode de réalisation du dispositif
de
manutention illustré aux figures 3 et 4. La figure 4 correspond au plan de
coupe C-C
de la figure 5. La figure 5 correspond au plan de coupe D-D de la figure 4.
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S
Dans les figures 2 à 5, le dispositif de manutention (300) est fixé à une cuve
(11) afin
d'illustrer le positionnement relatif de ces éléments.
Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent une
ou
plusieurs salles d'électrolyse (1) comportant un grand nombre de cellules
d'électrolyse (2) (typiquement plusieurs centaines de cellules), chaque
cellule
d'électrolyse (2) comportant une cuve (11) et des anodes (10). Tel qu'illustré
à la
figure l, les cuves (11) ont généralement une forme rectangulaire allongée
possëdant
un axe principal X ; les cuves (11) ont une longueur Lo généralement
supérieure à 3
fois leur largeur Wo. L'axe principal X d'une cuve (11) se situe dans le sens
de sa
longueur et passe typiquement par le centre de masse de la cuve.
Tel qu'illustré dans les figures, notamment les figures 3 à 5, chaque cuve (1
1)
comprend un caisson métallique (12) qui comporte une caisse (13), un rebord
(14) et
des raidisseurs (15) répartis le long de la caisse. Le rebord (14) comporte
typiquement au moins des rebords latéraux (14a, 14b) sur les côtés longs (17a,
17b)
de la cuve et des rebords d'extrémité (14c, 14d) sur les côtés courts (17c,
17d) de la
cuve. Les raidisseurs (15) comportent généralement des renforts (16) disposés
perpendiculairement à la surface extérieure de la caisse (13). Le caisson (12)
est
revêtu intérieurement d'élëments de revêtement en matériaux réfractaires (non
illustré) et contient un ensemble cathodique (non illustré).
La cuve (11) peut être mise en place ou retirée à l'aide d'une unité de levage
et de
manutention (20) apte à étre déplacée le long des cellules d'électrolyse sur
des
chemins de roulement (3, 3') à l'aide de moyens de roulement (23, 23'). La
figure 1
illustre une unité de levage et de manutention typique, vue de côté (figure 1
(A)) et
vue dans l'axe principal (figure 1 (B)).
Ladite unité (20) comprend typiquement un pont roulant (21), au moins un
chariot
(22, 22') apte à être déplacé sur le pont roulant (21), et des organes de
manutention
(24, 24') qui comprennent typiquement au moins un dispositif de levage (25,
25'), t:el
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qu'un palan. La cuve (11) est reliée au dispositif de levage (25, 25') par des
moyens
de liaison (30, 30') amovibles qui incluent, généralement, des palonniers
distincts
(31, 31') (appelés "lifting beams" en anglais) et des moyens d'attache
articulés (32,
32'), tels que des biellettes ou des leviers articulés, qui permettent un
mouvement
d'oscillation autour des points de liaison. Les palonniers (31, 31') sont
disposés
transversalement à la cuve (11) et sont fixés au dispositif de levage (25,
25') par des
moyens d'accrochage (33, 33'). Les moyens d'attache (32, 32') procurent une
liaison
isostatique entre le ou les dispositifs de levage (25, 25') et la cuve (11).
Les moyens
de liaison (30, 30') connus permettent des déformations longitudinales et
transversales de la cuve.
Selon (invention, la cuve (11) est fixée au dispositif de levage (25, 25') par
l'intermédiaire d'un dispositif de manutention (300) destiné à rigidifier le
caisson et à
en limiter la déformation. L'ensemble formé par la cuve (11) et le dispositif
de
manutention (300) peut ensuite être manipulé comme un tout par l'unité de
levage et
de manutention (20).
Le dispositif de manutention (300) selon l'invention comporte
- au moins un moyen d'accrochage (301, 301') destiné à permettre sa préhension
par
une unité de levage et de manutention (20) ;
- une armature (310) munie d'une pluralité de moyens de fixation rigide (320)
répartis de façon à permettre une fixation rigide de (armature (310) au
caisson (12)
en une pluralité d'endroits déterminés.
Les moyens de fixation rigide (320) procurent une liaison hyperstatique entre
le ou
les dispositifs de levage (25, 25') et la cuve (11).
Le ou les moyens d'accrochage (301, 301') sont normalement aptes à être reliés
aux
dispositifs de levage (25, 25') de l'unité de levage et de manutention (20).
Ils sont
typiquement choisis parmi les trous débouchants, les systèmes de boulonnage et
les
crochets.
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Le dispositif de manutention (300) comporte avantageusement au moins deux
moyens d'accrochage (301, 301'). Ceux-ci sont situés à une distance déterminée
l'un
de l'autre et sont de préférence suffisamment éloignés l'un de l'autre pour
éviter le
tangage du caisson en cours de manutention. Cette variante permet également de
limiter la déformation de (armature (310) sous (effet des poids combinés de la
cuve
et du dispositif de manutention.
Tel qu'illustré à la figure 2, (armature (310) comporte de préférence au moins
une
poutre longitudinale (311, alla, 311b) et une pluralité de moyens de fixation
rigide
(320) répartis le long de chaque poutre (311, 311a, 311b), de façon à
permettre une
fixation rigide de l'armature (310) au moins sur les côtés longs (17a, 17b) du
caisson
(12). Ces poutres (311, 311a, 311b) sont destinées à être disposées dans le
sens de la
longueur de la cuve. Les moyens de fixation (320) sont éventuellement situés à
(extrémité de bras (313) fixés à la ou à chaque poutre (311, 311a, 311b).
Chaque poutre longitudinale (311, 311 a, 311 b) a une longueur L qui est
avantageusement supérieure à 70 % de la longueur Lo de la cuve (11), et de
préférence supérieure à 80 % de Lo.
Dans un premier mode de réalisation de (invention, l'armature (310) comporte
une
poutre longitudinale (311), de préférence une seule poutre, destinée à être
placée
parallèlement à Taxe principal X de la cuve (11) et au-dessus de celui-ci.
Dans la
variante illustrée à la figure 2(A), la poutre longitudinale (311) est munie
de bras
(313) répartis le long de la poutre, typiquement avec des espacements
réguliers, et les
moyens de fixation (320) sont situés à fextrëmité de ces bras. Dans ce mode de
réalisation, le (les) moyens) d'accrochage (301, 301') est (sont) typiquement
pourvus) sur la poutre (311).
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, dont deux variantes sont
illustrées
aux figures 2(B) et 2(C), l'armature (310) comporte deux poutres
longitudinales
(311a, 311b) parallèles Tune à l'autre, liées l'une à (autre par au moins une
barre
transversale ou "traverse" (315, 315'), et destinées à être placées
parallèlement à l'axe
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ô
principal X de la cuve ( 11 ) et à être fixées chacune à un côté long ( 17a,
17b)
correspondant du caisson (12). Les moyens de fixation (320) sont répartis sur
les
poutres, éventuellement à l'extrémité de bras (313). Les poutres
longitudinales (311a,
311 b) ont typiquement une même longueur L. Dans ce mode de réalisation, le
(les)
moyens) d'accrochage (301, 301') est (sont) avantageusement pourvus) sur la ou
les
traverses (315, 315').
Dans la variante illustrée à la figure 2(C), les deux poutres longitudinales
(311 a,
311b) sont agencées de manière à pouvoir être placées, en tout ou partie, au-
dessus
de chacun des rebords (14a, 14b) correspondants du caisson (12) situés sur les
côtés
longs (17a, 17b) de celui-ci. Cette variante présente (avantage de permettre
une
réduction significative du poids de l'armature (310). Elle présente également
l'avantage d'être plus simple à réaliser.
Les figures 3 à 5 illustrent, de manière non limitative, une variante
particulière du
mode de réalisation de l'invention de la figure 2(C).
La ou les traverses (315, 315') permettent de limiter les déformations
latérales de
(armature (310). Elles peuvent être amovibles, mais elles sont de préférence
solidaires des poutres longitudinales (311a, 311b) afin de conférer une plus
grande
rigidité au dispositif.
L'armature (310) comporte avantageusement au moins deux traverses (315, 315'),
chacune munie d'un moyen d'accrochage (301, 301'). Cette variante permet de
limiter
la flèche des poutres longitudinales (alla, 311b) sous (effet des poids
combinés de
la cuve et du dispositif de manutention.
La ou les poutres (311, 311a, 311b) peuvent éventuellement comporter des
renforts
(312) pour les renforcer et les rigidifier ; ces renforts sont typiquement des
plaques
disposées transversalement à l'axe principal des poutres. Les poutres (311,
311a,
311b) sont typiquement formées d'un caisson allongë de forte section et
possédant
une forte inertie de flexion.
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Le nombre de moyens de fixation (320) distincts dépend des dimensions de la
cuve.
Il est supérieur ou égal à 4 et typiquement supérieur â 10. La distance
maximale entre
les moyens de fixation sur les côtés longs de la cuve est typiquement
d'environ 2
mètres. Les moyens de fixation sont typiquement répartis uniformément afin de
simplifier la conception et l'utilisation du dispositif. La distance moyenne
entre les
moyens de fixation est typiquement comprise entre 0,5 et 2 mètres.
Les moyens de fixation (320) sont de préférence choisis parmi les moyens qui
permettent de fixer fermement, mais de manière amovible, le caisson (12) à
l'armature (310), tels que les systèmes à boulons et écrous.
Les moyens de fixation (320) comprennent avantageusement des tirants (321)
aptes â
prendre appui sur le dispositif de manutention (300) - typiquement sur chaque
poutre
longitudinale (311a, 31 lb) du dispositif -, d'une part, et sur le caisson
(12), d'autre
part. A cette fin, les tirants (321) comprennent avantageusement une tige
(322), qui
est typiquement filetée - au mains à ses deux extrémités - de façon à
permettre sa
fixation à (aide d'écrous (323, 324). En pratique, la tige (322) peut passer
par des
ouvertures (19, 19') aménagées dans les rebords (14) du caisson. Les tirants
(321)
exercent une force vers le haut sur le caisson (12) et vers le bas sur le
dispositif de
manutention (300), ce qui permet d'appuyer, directement ou indirectement, le
caisson
sur le dispositif de manutention et, ainsi, de rigidifier le caisson à l'aide
du dispositif
de manutention.
Afin de répartir la charge sur les raidisseurs (15), les moyens de fixation
(320)
peuvent comprendre des barres d'appui (325) aptes à prendre appui sur les
raidisseurs
(15) du caisson. Cette variante de l'invention est avantageusement mise en
oeuvre
avec des caissons dans lesquels les raidisseurs (15) comportent des ouvertures
(18)
aptes à permettre l'insertion des dites barres d'appui (325) (voir les figures
4 et 5).
Les barres d'appui (325) peuvent étre formées de plusieurs éléments (par
exemple,
deux barres distinctes (325, 325') disposées en parallèle et sépaxées par des
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entretoises (326)). Les ouvertures (18) sont avantageusement renforcées à
(aide de
renforts (18'), qui prennent typiquement la forme d'une section de tube.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de
manutention (300)
5 comporte en outre une pluralitë d'écarteurs (330) (ou "vérins ajustables")
destinés à
ajuster (espacement E entre le caisson (12) et le dispositif de manutention
(300)
(typiquement entre les rebords (14) du caisson (12) et les poutres
longitudinales
(311a, 311b)). Les écarteurs permettent également de fournir des points
d'appui
déterminés entre le caisson (12) et le dispositif de manutention (300). Les
écarteurs
10 (330) permettent d'adapter précisément le dispositif de manutention (300)
au caisson
(12) et d'éviter d'ajouter une déformation supplëmentaire au caisson. En
effet, la
demanderesse a noté que les caissons sont souvent légèrement déformés et que
la
mise en appui des poutres longitudinales sur le caisson, sans élément
d'ajustement
complémentaire, pouvait entraîner une déformation supplémentaire du caisson.
Les
écarteurs (330) sont de prëférence placés de façon à s'appuyer sur les parties
les plus
rigides du caisson (12) (notamment des rebords (14) du caisson, typiquement au
niveau des renforts (14')). Les écarteurs (330) sont typiquement alignës avec
les
points d'appui (18) des tirants sur le caisson, comme illustré à la figure 5.
Les
écarteurs (330) sont typiquement choisis parmi les vérins à vis.
L'invention a encore pour objet une méthode de manutention d'une cuve de
cellule
d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée,
comportant
- la fourniture d'un dispositif de manutention (300) selon (invention ;
- la mise en place du dispositif de manutention (300) sur le caisson (12)
d'une cuve
(11) ;
- la fixation du dispositif de manutention (300) sur le caisson à (aide des
moyens de
fixation (320) ;
- la fixation du dispositif de manutention (300) à une unitë de levage et de
manutention (20) - typiquement aux organes de manutention (24, 24') d'une
telle
unité (20) - à (aide d'au moins un moyen d'accrochage (301, 301').
La cuve peut ensuite être levée, transportée et déposée.
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Lorsque le dispositif de manutention (300) comporte des écarteurs (330), la
méthode
comporte en outre (ajustement d'un espacement E entre le caisson (12) et le
dispositif de manutention (300) à l'aide desdits écarteurs (330).
Lorsque l'armature (310) du dispositif de manutention (300) comporte au moins
deux
poutres longitudinales (311a, 311b), la mise en place du dispositif de
manutention
(300) sur le caisson (12) d'une cuve (11) comprend typiquement un alignement
de
ces poutres longitudinales (311a, 311b) avec les rebords latéraux (14a, 14b)
du
caisson (12) situés sur ses côtés longs (17a, 17b).
Lorsque le dispositif de manutention (300) comporte des tirants (321), les
poutres
(311a, 311b) sont fixées au caisson (12) par serrage jusqu'à la mise en appui
du
caisson contre les dites poutres ou, le cas échéant, contre les écarteurs
(330). Lorsque
(on utilise des écarteurs (330), ceux-ci sont de préfërence ajustés avant le
serrage
définitif des tirants (321).
Les écarteurs (330) sont de préférence intégrés au dispositif de manutention
(300)
afin de simplifier l'utilisation du dispositif de manutention (300) ou la mise
en oeuvre
de la méthode selon l'invention. Les écarteurs (330) peuvent éventuellement
être, en
tout ou partie, distincts du dispositif ou amovibles. Lorsque les ëcarteurs
(330) sont
séparés du dispositif de manutention au moment de sa mise en place, la méthode
comporte en outre une mise en place d'une pluralité d'écarteurs (330),
typiquement
par insertion, entre (armature (310) et le caisson (12).
