Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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MODULE DE SERVICE COMPACT DESTINÉ AUX USINES DE
PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR ÉLECTROLYSE
Domaine de l'invention
L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le
procédé de Hall-Héroult. Elle concerne plus particulièrement les modules de
service
utilisés dans les usines de production d'aluminium.
Etat de la technique
L'aluminium est produit industriellement par électrolyse ignée, selon le
procédé bien
connu de Hall-Héroult, dans des cellules d'électrolyse. Les usines contiennent
un
grand nombre de cellules d'électrolyse disposées en ligne, dans des bâtiments
appelés
halls ou salles d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à l'aide
de
conducteurs de liaison, de façon à optimiser l'occupation au sol des usines.
Les
cellules sont généralement disposées de manière à former deux ou plusieurs
files
parallèles qui sont électriquement liées entre elles par des conducteurs
d'extrémité.
En fonctionnement, une usine d'électrolyse nécessite des interventions sur les
cellules
d'électrolyse parmi lesquelles figurent, notamment, le remplacement des anodes
usées par des anodes neuves, le prélèvement de métal liquide des cellules et
les
prélèvements ou ajouts d'électrolyte. Afin d'effectuer ces interventions, les
usines les
plus modernes sont équipées d'une ou plusieurs unités de service comprenant un
pont mobile qui peut être translaté au-dessus des cellules d'électrolyse, et
le long des
séries de cellules, et une ou plusieurs machines de service comprenant chacune
un
chariot et un module de service muni d'organes de manutention et
d'intervention
(souvent appelés outils ), tels que des pelles et des palans, et apte à être
déplacée
sur le pont mobile. Ces unités de service sont souvent appelées "machines de
service
électrolyse" ou "M.S.E" ("PTA" ou "Pot Tending Assembly" ou "PTM" ou "Pot
Tending Machine" en langue anglaise).
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Afin d'optimiser l'espace dans les salles d'électrolyse et de réduire le coût
des
investissements, les cellules d'électrolyse sont disposées de manière aussi
rapprochée
que possible les unes des autres et à proximité de l'un des côtés latéraux des
salles
d'électrolyse et une allée de circulation aussi étroite que possible est
aménagée à
proximité de l'autre côté latéral des salles. Cette disposition impose que la
distance
entre les murs de la salle d'électrolyse et les limites de la zone de travail
de chacun
des outils des machines de service soit la plus réduite possible, notamment
pour
l'accès aux cellules d'électrolyse. Cette distance est appelée "approche des
outils". La
position des cellules dans la salle d'électrolyse et la surface totale de la
salle qui en
résulte dépendent sensiblement du volume occupé par les machines de service et
des
possibilités d'approche et de mouvement de leurs outils. Or, les modules de
service
connus occupent un volume important qui interdit une approche réduite des
côtés des
salles d'électrolyse, notamment des côtés latéraux, et qui limite sensiblement
leurs
mouvements à proximité de ces côtés. Compte tenu des nombreux outils
nécessaires
à l'entretien des cellules, il est difficile de réduire le volume des modules
par un
simple rapprochement des outils sans nuire à la visibilité des opérations par
les
opérateurs installés dans les postes de pilotage.
La demanderesse a donc recherché des unités de service qui permettent d'éviter
ces
inconvénients.
Description de l'invention
L'invention a pour objet un module de service d'une série de cellules
d'électrolyse
destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée comprenant un
châssis
apte à être fixé à un chariot et une tourelle montée sur le châssis de manière
à
pouvoir pivoter autour d'un axe vertical A en utilisation, définissant un plan
sensiblement horizontal en utilisation, appelé "plan de la tourelle" Pt, et
équipée de:
- un ensemble d'outils incluant notamment un piqueur monté sur un bras
télescopique, une pelle à godets montée sur un bras télescopique, au moins une
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première pince à anodes montée sur un bras télescopique et une trémie munie
d'un
conduit escamotable ;
- un balcon ou une cabine comportant des commandes destinées à
manoeuvrer le
module et lesdits outils et un poste de conduite duquel un opérateur peut
actionner
lesdites commandes,
et caractérisé en ce que, par rapport à un premier plan Pi et à un deuxième
plan P2,
perpendiculaires l'un à l'autre et au plan Pt de la tourelle et se croisant
sur l'axe A:
- le centre C du poste de conduite est situé à une distance déterminée Cl du
plan Pl
et à une distance déterminée C2 du plan P2;
- le centre de la pelle à godets et le centre de la première pince à anodes
sont situés
du côté opposé du plan Pi par rapport au poste de conduite ;
- le piqueur et ledit conduit escamotable sont disposés entre le poste de
conduite et
la rangée formée par la pelle à godets et la première pince à anodes.
La disposition des outils du module selon l'invention permet que leur partie
active se
situe dans une zone éloignée de la cabine et du poste de l'opérateur et
procure ainsi
une grande visibilité dans le champ d'action des outils. Elle permet également
de les
rapprocher sensiblement de l'axe de rotation de la tourelle, sans nuire à la
visibilité,
ce qui conduit à une plus grande compacité du module et facilite les approches
réduites. Ainsi, le module de service comporte au moins quatre outils de base
utilisés
pour les changements d'anode tout en restant compact.
L'invention permet en outre de rendre les opérations symétriques, de sorte
qu'une
machine de service équipée d'un module selon l'invention peut être utilisée
indifféremment quelle que soit la position des cellules par rapport aux côtés
latéraux
de la salle d'électrolyse.
L'invention permet aussi d'éviter le recours à deux ou plusieurs tourelles
concentriques, ce qui permet en conséquence de simplifier la conception du
module
de service.
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L'invention a également pour objet une machine de service comprenant un
chariot et
un module de service tel que décrit précédemment.
L'invention a encore pour objet une unité de service d'une usine de production
d'aluminium par électrolyse ignée comprenant un pont mobile et au moins une
machine de service selon l'invention.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'une unité de service selon
l'invention
pour les interventions sur des cellules d'électrolyse destinées à la
production
d'aluminium par électrolyse ignée.
L'invention a encore pour objet un procédé de changement d'anode d'une cellule
d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée, dans
lequel
on remplace au moins une anode déterminée par une anode neuve en utilisant un
module de service selon l'invention.
L'invention est décrite en détail ci-après à l'aide des figures annexées.
La figure 1 illustre une salle d'électrolyse typique, vue en section, destinée
à la
production d'aluminium et comprenant une unité de service représentée de
manière
schématique.
Les figures 2 et 3 représentent, de manière schématique, des dispositions des
outils
de base du module de service selon l'invention, en vue du dessous.
Les figures 4 et 5 illustrent, de manière schématique, des exemples de
réalisation du
module de service selon l'invention, en vue de côté.
La figure 6 illustre les opérations de changement d'anodes qui peuvent être
effectuées
avec un module selon l'invention.
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Les usines d'électrolyse destinées à la production d'aluminium comprennent une
zone de production d'aluminium liquide qui comprend une ou plusieurs salles
d'électrolyse (1). Tel qu'illustré à la figure 1, chaque salle d'électrolyse
(1) comporte
des cellules d'électrolyse (2) et au moins une "unité de service" ou "machine
de
5 service" (3). Les cellules d'électrolyse (2) sont normalement disposées
en rangées ou
files, chaque rangée ou file comportant typiquement plus d'une centaine de
cellules.
Les cellules (2) sont disposées de manière à dégager une allée de circulation
(31) sur
le long de la salle d'électrolyse (1). Les cellules (2) comprennent une série
d'anodes
(21) munies d'une tige métallique (22) destinée à la fixation et au
raccordement
électrique des anodes à un cadre anodique métallique (non illustré).
L'unité de service (3) sert à effectuer des opérations sur les cellules (2)
telles que les
changements d'anode ou le remplissage des trémies d'alimentation en bain broyé
et
en A1F3 des cellules d'électrolyse. Elle peut également servir à
manutentionner des
charges diverses, telles que des éléments de cuve, des poches de métal liquide
ou des
anodes. L'invention concerne tout particulièrement les unités de service aptes
à
effectuer les changements d'anode.
L'unité de service (3) comprend un pont mobile (4) qui peut être translaté au-
dessus
des cellules d'électrolyse (2) et une machine de service (5) comprenant un
chariot
mobile (6) apte à être déplacé sur le pont mobile (4) et un module de service
(7)
équipé de plusieurs organes de manutention et d'intervention (10), tels que
des outils
(pelles, pinces à anode, piqueurs,...). Le pont mobile (4) repose et circule
sur des
chemins de roulement (30, 30') disposés parallèlement l'un à l'autre et à
l'axe
principal du hall (et de la file de cellules). Le pont mobile (4) peut ainsi
être déplacé
le long de la salle d'électrolyse (1).
Dans le cadre de l'invention, le module de service (7) comporte un châssis
(8),
typiquement une plate-forme, apte à être fixé à un chariot (6) et une tourelle
(9)
montée sur le châssis (8) de manière à pouvoir pivoter autour d'un axe
vertical A en
utilisation. La tourelle (9) est équipée d'un balcon ou d'une cabine de
commande (18)
comportant des commandes destinées à manoeuvrer le module (7) et lesdits
outils
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(10) et un poste de conduite (19) duquel un opérateur peut actionner lesdites
commandes.
La tourelle (9) selon l'invention est également équipée d'un ensemble
déterminé d'outils (10),
à savoir au moins un piqueur (11) monté sur un bras télescopique (1 la), une
pelle à godets
(12) montée sur un bras télescopique (12a), au moins une pince de manutention
d'anode
(appelée "pince à anodes" par la suite) (13, 14) montée sur un bras
télescopique (13a), et une
trémie (15) munie d'un conduit escamotable (16). Ces outils (11 à 16) sont
destinés aux
opérations de changement d'anodes des cellules d'électrolyse du hall. Dans ces
opérations, le
piqueur (11) sert à briser la croûte d'alumine et de bain solidifié qui couvre
généralement les
anodes de la cellule; la pelle à godets (12) sert à dégager l'emplacement de
l'anode, après le
retrait de l'anode usée, par enlèvement des matières solides (telles que des
morceaux de
croûte et de carbone et de l'alumine) qui s'y trouvent; la ou les pinces à
anodes (13, 14)
servent à saisir et à manipuler les anodes par leur tige, notamment pour
l'enlèvement des
anodes usées d'une cellule d'électrolyse et la mise en place d'anodes neuves
dans la cellule
d'électrolyse; le conduit escamotable (16) sert à introduire de l'alumine
et/ou du bain broyé
dans la cellule d'électrolyse, de manière à reformer une couche de revêtement,
après la mise
en place d'une anode neuve. La tourelle (9) selon l'invention peut également
être équipée
d'outils supplémentaires, tels qu'un palan.
Dans le cadre de l'invention, un bras télescopique (11a, 12a, 13a) comporte au
moins un
membre fixe et un premier membre mobile apte à être translaté par rapport au
membre fixe le
long d'un axe de translation déterminé. Les membres fixe et mobile(s) ont une
forme
sensiblement allongée, telle qu'une tige, un fût ou une forme plus complexe, à
laquelle on
peut associer un axe principal dans le sens de la longueur. L'axe principal
des membres fixe
et mobile(s) est typiquement sensiblement vertical en utilisation. L'axe de
translation
déterminé est généralement parallèle à l'axe principal du membre fixe et peut
coïncider avec
celui-ci. Le membre fixe est fixé à la tourelle (9) de manière rigide ou
souple. Une fixation
souple permet un certain débattement du membre mobile par rapport à son point
de fixation.
Les outils sont fixés au membre mobile, généralement à une extrémité de celui-
ci. Par
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exemple, le membre fixe peut être un premier fût creux de section sensiblement
carrée et le membre mobile un deuxième Mt de section sensiblement carrée apte
à
coulisser à l'intérieur du premier fût; dans cet exemple, l'axe principal des
premier et
deuxième fûts coïncident. Le bras télescopique peut comporter un ou plusieurs
membres mobiles intermédiaires, situés entre le membre fixe et le premier
membre
mobile et aptes à être translatés par rapport à ces derniers.
La tourelle (9) définit un plan Pt perpendiculaire à l'axe A, et donc
sensiblement
horizontal en utilisation, dit plan de la tourelle. Afin de décrire
l'agencement des
éléments sur la tourelle, ce plan est découpé en quatre quadrants géométriques
délimités par deux plans (Pl, P2), perpendiculaires au plan de la tourelle (et
donc
verticaux en utilisation), perpendiculaires l'un à l'autre et passant par
l'axe A. Ce
référentiel est illustré aux figures 2 et 3. L'espace est alors découpé en
quatre sous-
espaces correspondant chacun à l'un des quatre quadrants délimités par les
deux
plans Pi et P2. Les quadrants, et les sous-espaces correspondants, sont
désignés par
les chiffres romains I à IV pour les besoins de la description.
Les outils se situent normalement d'un même côté du plan de la tourelle, à
savoir le
côté qui se trouve en dessous de ce plan (et donc sous le châssis et la
tourelle) en
utilisation.
Utilisant le référentiel indiqué ci-dessus :
- le centre du poste de conduite (19) est situé soit dans le sous-espace de
référence
(I ou IV) situé sur un côté du plan Pl, ou sur le plan P2 qui sépare ces deux
sous-
espaces ;
- le centre de la pelle à godets (12) et le centre de la ou des pince(s) à
anodes (13,
14) sont situées, du côté opposé du plan Pi, soit dans un sous-espace adjacent
au
sous-espace de référence (par exemple dans le sous-espace II lorsque le centre
du
poste de conduite est dans le sous-espace I), soit dans le sous-espace opposé
au sous-
espace de référence (par exemple dans le sous-espace III lorsque le centre du
poste
de conduite est dans le sous-espace I) ;
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- le piqueur (11) et le conduit escamotable (16) sont disposés entre le poste
de
conduite (18) et soit le plan Pa parallèle au plan P1 et passant par le centre
de la
première pince à anodes (13), soit le plan Pb parallèle au plan P1 et passant
par le
centre de la pelle à godets (12), selon l'espace disponible laissé par la
pelle à godets
et la ou les pinces à anodes. Le piqueur (11) et le conduit escamotable (16)
sont alors
disposés entre le poste de conduite (18) et la rangée formée par la pelle à
godets (12)
et la ou les pince(s) à anodes (13, 14). Par exemple, le piqueur (11) peut
être disposé
entre le poste de conduite (19) et la pelle à godets (12) et le conduit
escamotable (16)
peut être disposé entre le poste de conduite (19) et la ou les pince(s) à
anodes (13,
14). Le piqueur (11) et le conduit escamotable (16) se situent de préférence
entre le
plan P1 et ladite rangée, et plus généralement entre le plan P1 et la rangée
formée par
la pelle à godets (12) et les pinces à anodes (13, 14). Le piqueur (11) et le
conduit
escamotable (16) se situent de préférence encore entre le plan P12 parallèle à
l'axe A
et passant par le centre du poste de conduite (19) et le centre de la pelle à
godets (12)
et le plan P13 ou P14 parallèle à l'axe A et passant par le centre du poste de
conduite
(19) et le centre de la pince à anodes (13 ou 14) qui est le plus éloigné du
centre de la
pelle.
Tel qu'illustré à la figure 6, la position des outils selon l'invention permet
une
visibilité sur l'ensemble des outils de changement d'anodes (11 à 16) lorsque
l'opérateur intervient dans la zone de travail (17) au niveau de la cuve ou
dans la
zone de travail (17') au niveau des fixations des tiges d'anodes (22). Le
point de
vision de l'opérateur sur les opérations de changement d'anode est désigné par
la
référence 20. Ces opérations procèdent comme suit : la croûte qui couvre les
anodes
est tout d'abord brisée à l'aide du piqueur (11) (figure 6(A)), l'anode usée
est ensuite
retirée à l'aide d'une pince à anodes (13, 14) (figure 6(B)), l'emplacement de
l'anode
est dégagé à l'aide de la pelle à godets (12) (figure 6(C)), et l'anode neuve
est mise en
place à l'aide d'une pince à anodes (13, 14) (figure 6(B)) et recouverte de
d'alumine
et/ou de bain broyé à l'aide du conduit escamotable (figure 6(D)). Dans le cas
où le
module est équipé de plusieurs pinces à anode, ces opérations peuvent se faire
simultanément pour plusieurs anodes. La position des outils selon l'invention
permet
également d'effectuer lesdites opérations sans nécessiter de rotation de la
tourelle (9)
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autour de l'axe A; la mise en position des outils par rapport à l'emplacement
d'une
anode (21) ou de sa tige (22) durant lesdites opérations requiert uniquement
de légers
déplacements de la tourelle (9) par translation horizontale et/ou de légers
pivotements de la tourelle (9) par rapport à l'axe A.
Le poste de conduite (19), la pelle à godets (12) et la ou les pince(s) à
anodes (13,
14)) sont situés à des distances radiales déterminées de l'axe A. Ces
distances
peuvent être données en termes de distances par rapport aux plans P1 et P2,
tel
qu'indiqué dans la figure 2 (à savoir Cl et C2 pour le poste de conduite, B1
et B2
pour la pelle à godets, Al et A2 pour la première pince à anodes, Al' et A2'
pour
l'éventuelle deuxième pince à anodes,...). Les distances par rapport au plan
P1 (Al,
Al', Bi, Cl) dépendent notamment de la dimension des outils, de la hauteur du
pont
mobile (4), des dimensions des cellules (2) et de la distance qui les sépare.
L'angle S entre le plan P2 et le plan Pc passant par l'axe A et le centre C du
poste de
conduite (19) est de préférence compris entre 0 et 40 , et de préférence
encore
compris entre 0 et 15 . Cette disposition permet de placer le champ de vision
de
l'opérateur entre le bras télescopique (11a) du piqueur et le conduit
escamotable (16),
qui est typiquement actionné par un bras télescopique, tout en préservant la
possibilité de maintenir ces composants à proximité du plan P2. Dans cette
configuration, la distance déterminée C2 du poste de conduite (19) est
typiquement
comprise entre 0 et 1000 mm, et plus typiquement entre 100 et 600 mm.
La pelle à godets (12) et la première pince à anodes (13) sont espacés de
manière à
libérer un espace suffisant entre eux pour éviter qu'elles se percutent.
De préférence, le centre de la pelle à godets (12) et le centre de la première
pince à
anodes (13) sont situés sur des côtés opposés du plan P2. Cette configuration
permet
de rendre symétrique le fonctionnement du module, par rapport à une rotation
de
180 autour de l'axe A, tout en préservant la compacité du module et la
visibilité de
l'opérateur sur les outils.
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Selon un mode de réalisation de l'invention, dont un exemple de disposition
est
illustré schématiquement à la figure 2, le centre C du poste de conduite (19)
et le
centre de la pelle à godets (12) sont situés du même côté du plan P2. Par
exemple, le
centre C du poste de conduite (19) peut être situé dans le sous-espace I et le
centre de
5 la pelle à godets (12) peut être situé dans le sous-espace II; le centre
de la première
pince à anodes (13) est alors de préférence dans le sous-espace III. La
configuration
miroir par rapport au plan P2 est également possible.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dont un exemple de
disposition est
10 illustré schématiquement à la figure 3, le centre C du poste de conduite
(19) et le
centre de la première pince à anodes (13) sont situés du même côté du plan P2.
Par
exemple, le centre C du poste de conduite (19) peut être situé dans le sous-
espace IV
et le centre de la première pince à anodes (13) peut être situé dans le sous-
espace III;
le centre de la pelle à godets (12) est alors de préférence dans le sous-
espace II. La
configuration miroir par rapport au plan P2 est également possible.
Le module de service (7) selon l'invention peut comprendre, en outre, au moins
une
pince à anodes supplémentaire (14) ¨ typiquement une ou deux pinces
supplémentaires ¨ montée sur un bras télescopique et située dans le même sous-
espace que la première pince à anodes (13). Le centre de la pince à anodes
supplémentaire (14) est de préférence situé du même côté des plans P1 et P2
que le
centre de la première pince (13). De préférence encore, le centre de la pince
à anodes
supplémentaire (14) est également situé dans le plan Pa parallèle au plan PI
et
passant par le centre de la première pince à anodes (13).
Afin de faciliter les opérations successives de changement d'anode, le plan Pa
parallèle au plan P1 et passant par le centre de la première pince à anodes
(13) et le
plan Pb parallèle au plan P1 et passant par le centre de la pelle à godets
(12) sont
avantageusement espacés d'une distance F relativement faible, qui est
typiquement
comprise entre 0 et 300 mm. Ainsi, les bras télescopiques de la pelle à godets
et de la
ou les pinces à anodes sont sensiblement alignés, c'est-à-dire qu'ils forment
une
rangée d'outils, de sorte que leur partie active se situe dans une zone
éloignée du
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poste de conduite et procure ainsi une grande visibilité dans le champ
d'action de ces
outils. En outre, dans cette configuration, l'opérateur peut passer d'un outil
au suivant
par un simple déplacement longitudinal le long du pont et un faible
déplacement du
pont lui-même.
De manière avantageuse, le piqueur (11) se situe à une distance du plan P2
comprise
entre 0 et 200 mm. L'angle P entre le plan P2 et le plan Pp passant par le
bras
télescopique (lia) du piqueur (11) et le piqueur (11) est de préférence
compris entre
0 et 200. Ainsi, le bras télescopique (11a) du piqueur (11) se situe à
proximité de, et
éventuellement dans, le plan Pl. Cette disposition permet d'obtenir
simultanément
une symétrie de fonctionnement du module, par une rotation de 180 par rapport
à
l'axe A, et une grande compacité du module. Le piqueur (11) est typiquement
placé
sur un bras coudé fixé à l'extrémité de son bras télescopique (lia), comme
illustré à
la figure 5. Le bras télescopique (11a) du piqueur (11) peut être vertical
(figure 5) ou
incliné (figure 4) par rapport à l'axe A.
La distance entre le centre du poste de conduite (19) et le centre de la pelle
à godets
(12) et la distance entre le centre du poste de conduite (19) et le centre de
la ou de
chaque pince à anodes (13, 14) sont typiquement comprises entre 3 et 5 mètres.
Ces
distances sont déterminées centre à centre et correspondent aux segments de
droite
D12, D13, D14 parallèles au plan Pt de la tourelle représentés sur la figure
2.
L'ouverture angulaire V entre le plan P12 parallèle à l'axe A et passant par
le centre
du poste de conduite (19) et le centre de la pelle à godets (12) et le plan
P13 ou P14
parallèle à l'axe A et passant par le centre du poste de conduite (19) et le
centre de la
pince à anodes (13, 14) le plus éloigné du centre de la pelle est de
préférence
inférieure à 30 , et de préférence encore inférieure à 200.
La figure 4 illustre une réalisation possible du module de service selon
l'invention.
Les dessins représentent une vue de côté du module et en section du pont
mobile (4) ;
le dessin 4(A) correspond au dessin 4(B), à la différence près que la pelle à
godets
(12) n'est pas représentée afm de montrer la première pince à anodes (13)
située à
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côté de celle-ci. Dans ces dessins, le module est installé sur un chariot (6)
de manière
à constituer une machine de service (5). Le chariot (6) est monté sur les deux
traverses (4', 4") d'un pont de manière à pouvoir se déplacer le long de ce
dernier. Le
piqueur est représenté dans une position "d'attente" (11') et dans une
position "de
travail" (11) ; dans cette dernière position, le piqueur a accès à la zone de
travail (17)
des outils. Le bras télescopique (lia) du piqueur est incliné par rapport à
l'axe A.
La figure 5 illustre une autre réalisation possible du module de service selon
l'invention. Les outils sont représentés en position d'attente. Dans cette
variante, la
trémie (15) est placée plus près de la cabine ou du balcon (18) que dans
l'exemple de
la figure 4. Le bras télescopique (11 a) du piqueur est parallèle à l'axe A.
L'invention est particulièrement avantageuse pour un procédé de changement
d'anode
d'une cellule d'électrolyse (2) destinée à la production d'aluminium par
électrolyse
ignée, dans lequel :
- on approche un module de service (7) selon l'invention de ladite cellule (2)
;
- on brise la croûte d'alumine et de bain solidifié qui entoure et couvre au
moins une
anode usée déterminée avec le piqueur (ii);
- on retire l'anode usée avec une pince à anodes (13, 14) ;
- on prépare l'emplacement de l'anode neuve avec la pelle à godets (12) ;
- on met en place l'anode neuve à l'aide d'une pince à anodes (13, 14) ;
- on recouvre l'anode neuve d'alumine et/ou de bain broyé à l'aide du conduit
escamotable (16).
