7~ ~
La présente invention concerne un procédé pour symétriser le champ magnétique vertica] dans les cuves d'électrolyse à
haute intensité, connectées en série et placées en travers par rapport à l'axe de la série, destinées à la production d'alumi-nium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue.
Pour la bonne compréhension de ce qui suit, on rappelle que la production industrielle de l'aluminium s'opère par élec-trolyse ignee, dans des cuves connectées électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée à une tem-1~ pérature de l'ordre de 950 à 1000C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.
Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire formantcreuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres d'acier dites barres cathodiques, qui servent à évacuer le courant de la cathode vers les anodes de la cuve suivante.
Les anodes, également en carbone, sont scellées sur des tiges fortement serrées sur des barres en aluminium, dltes barres anodiques, fixées sur une superstructure qui surplombe le creuset de la cuve. Ces barres anodiques sont reliées par ` ;~
des conducteurs en aluminium dits "montés`' aux barres cathodi-ques de la cuve précédente.
Entre les anodes et la cathode se trouve le bain d'électro-lyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la cryolithe.
L'aluminium produit se dépose sur la cathode, un volant d'alu-minium étant constamment maintenu au fond du creuset cathodique.
Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques sup- `
portant les anodes sont, en général, parallèles à ses gran~ls côtés, alors que les barres cathodiques sont parallèles à ses petits côtés, dits têtes de cuveO
Les cuves sont rangees selon des files, en long ou en travers, suivant que leur grand coté ou leur petit côté est ~
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~3075~ ~
parallè]e à l'axe cle la file. Les cuves sont branchées électriquement en série, les extrémités de la série étant reliées aux sorties positive et négative dlune sous-station électrique de redressement et de regulation. Chaque serie de cuves com-prend un certain nombre de files branchées en série, le nombre des files étant, de préférence~ pair afin d'éviter des longueurs inutiles de conducteurs.
Le courant électrique qui parcourt les différents conduc-teurs: électrolyte, métal liquide, anodes, cathodes, conduc-teurs de liaison, crée des champs magnétiques importants. Ces-champs induisent, dans le bain d'électrolyse et dans le métal fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui, par les mouvements qu'elles enyendrent, sont nuisibles à là
bonne marche de la cuve. Le dessin de la cuve et de ses con-ducteurs de liaison est é-tudié pour que les champs magnétiques créés par les ciifférentes parties de la cuve et les conducteurs de liaison se compensent: on aboutit ainsi àune cuve ayant pour plan de symétrie le plan vertical parallèle à la file de cuves et passant par le centre du creuset.
Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files voisines. ~ -Dans ce qui suit, les mots "amont" et "aval" s'entendent par rapport au sens général du courant électrique dans la file de cuves considérée. On entend par "file voisine" la file la plus proche de la file considérée ~ par "charnp de la file voisine", la résultante des champs de toutes Ies files autres que la file considérée.
Le but de l'invention est de réaliser une cuve dont le système anodique soit alimenté par des arrivées de courant placees sur les petits côtés de la cuve et dont le dessin des conducteurs entre cuve soit tel ~u'on réalise une excellente 7 ~ ~
The present invention relates to a method for symmetrizing vertica magnetic field] in the electrolytic cells at high intensity, connected in series and placed across by relative to the axis of the series, intended for the production of aluminum nium by electrolysis of alumina dissolved in the molten cryolite.
For the good understanding of what follows, we remind that the industrial production of aluminum takes place by electricity igneous trolysis, in tanks electrically connected in series, of an alumina solution in cryolite brought to a tem-1 ~ temperature of the order of 950 to 1000C by the Joule effect of the current crossing the tank.
Each tank includes a rectangular crucible cathode, the bottom of which consists of carbon blocks sealed on steel bars called cathode bars, which are used to drain the current from the cathode to the anodes of the next tank.
The anodes, also made of carbon, are sealed on strongly clamped rods on aluminum bars, dltes anode bars, fixed on a superstructure which overhangs the crucible of the tank. These anode bars are connected by `; ~
aluminum conductors called "mounted" on the cathode bars from the previous tank.
Between the anodes and the cathode is the electro-lysis, that is to say the solution of alumina in cryolite.
The aluminum produced is deposited on the cathode, an aluminum flywheel.
minium being constantly maintained at the bottom of the cathode crucible.
The crucible being rectangular, the anode bars sup- `
carrying the anodes are, in general, parallel to its gran ~ ls sides, while the cathode bars are parallel to its short sides, called tank heads The tanks are arranged in rows, lengthwise or in cross, depending on whether their long side or their short side is ~
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~ 3075 ~ ~
parallel to the axis of the line. The tanks are connected electrically in series, the ends of the series being connected at the positive and negative outputs of an electrical substation recovery and regulation. Each series of tanks takes a certain number of queues connected in series, the number files being, preferably ~ even in order to avoid lengths unnecessary drivers.
The electric current which runs through the different conduits-tors: electrolyte, liquid metal, anodes, cathodes, conduc-bonding agents, creates significant magnetic fields. These-induced fields, in the electrolysis bath and in the metal molten contained in the crucible, so-called Laplace forces which, by the movements they make, are harmful to there good operation of the tank. The design of the tank and its con-bonding conductors is studied so that the magnetic fields created by the different parts of the tank and the conductors compensate for each other: this results in a tank having for plane of symmetry the vertical plane parallel to the line of tanks and passing through the center of the crucible.
However, the tanks are also subject to fields disruptive magnetic coming from the neighboring file (s). ~ -In what follows, the words "upstream" and "downstream" are understood relative to the general direction of the electric current in the queue of tanks considered. "Neighboring line" means the line the closest to the queue considered ~ by "charnp of the queue neighbor ", the result of the fields in all other queues than the line in question.
The object of the invention is to produce a tank whose anodic system is supplied by current inlets placed on the short sides of the tank and the drawing of conductors between tank or such ~ u'on achieves excellent
-2-~ . : . ~ .
~3~)7S~
symétrie du champ magnétique vertical suivant la règle suivante. `~
- La valeur absolue de la composante Bz est la même dans les quatl-e angles, Le signe cle Bz est alternativement positif et négatif quand on passe d'un angle de la cuve à l'autre en suivant son périmétre, Ce résultat est obtenu:
a) compte tenu du champ magnétique crée par les files de cuves volslnes, b) compte -tenu de la modification du champ magnétique due à la présence des pièces ferromagnétiques situées à
proximité de la cuve.
Bz désigne la composante du champ magnétique selon l'axe verti-cal Oz, dans un trièdre trirectangle de référence dont l'axe Ox est parallèle à l'axe de la série dans le sens du courant, le point O étantfixé au centre du plan cathodique.
Dans le brevet français 2 333 060 et le certificat d'ad-dition 2 343 826 à ce brevet, on a décrit des moyens visant à
compenser le champ magnétique créé par les files de cuves voisi~
nes en plaçant une boucle de courant sous la tête extérieure, c'est-à-dire sous le petit côté de la cuve le plus éloigné de `
la Eile la plus proche. Le dispositif utilisé consiste à d~vier une partie du courant contournant la tête extérieure de la cuve en la faisant passer par un conducteur situé sous la cuve.
Le procédé, objet de l'invention, qui a pour but de symé-triser la composante vertical`e du champ magnétique des cuves - d'électrolyse placées en travers, c'est-à-dire d'amener le champ magnétique vertical à avoir sensiblement la même valeur absolue dans les quatre angles de la cuve, avec des signes alternativement positif et négatif quand on décrit le périmètre de la cuve, consiste à modifier la répartition du courant dans les conducteurs d'alimentation de l'anode d'une cuve aval à
.. . ..
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à par-tir de la ca-thode de la cuve amont voisine en superposant à la cuve deux boucles électriques produisant un champ magnétique vertical moyen de la cuve sur son petit côté, et de sens contraire, ces houcles électriques de compensation étant dis-posées sous chacun des petits côtes ou "têtes" de la cuve et à
faire passer, dans un conducteur supplémentaire une fraction ou la totalité du courant qui parcourt le collecteur négatif amont, ce conducteur supplémentaire rejoignant le même collecteur amont en longeant le grand côté aval de la cuve.
Les conducteurs supplémentaires sont placés le plus haut possible sous la cuve, horizontalement et parallèlement aux petits côtés de la cuve et de Eacon telle que les plans passant par le conducteur intérieur et extérieur et par l'arête inté-rieure de l'anode sur les petits côtés intérieur et extérieur respectivement fassent avec la verticale un angle sensiblement égal à 45 .
Les figures 1 et 2 schématisent la position du conducteur de compensation sous les têtes de la cuve.
La figure 3 montre la disposition géométrique réelle de la boucle de compensation sous l'une des têtes de la cuve.
La figure 4 schématise, en plan, la position des conduc-teurs de liaison entre deux cuves successives et la position des boucles de compensation sous les têtes de l'une des cuves (la cuve amont).
Pour la mise en oeuvre de l'invention, il faut tout d'abord déterminer les intensités Ii et Ie dans les boucles de compensation.
On calcule le champ magnét ~ue vertical dans chacun des angles de la cuve (soit (Eigure ~):
BZl dans l'angle intérieur amont BZ2 dans l'angle intérieur aval Bz3 dans l'angle extérieur aval :~L13~)756 Bz4 dans l'angle extérieur amont.
Les expressions amont/aval étant entendues par rapport au sens général du courant dans la file de cuve. Le calcul de ces champs est fair eTl tetlant compte du champ magnetique créé par les files voisines et de l'action sur le champ des masses fer-romagnétlques situées au voisinage de la cuve.
On écrit alors les deux équations suivantes:
Bzl + BZ2 =
Bz3 -~ Bz4 = O
Les équations (1) sont lineaires en Ii et Ie (le champ magnétique étant proportionnel à l'intensité) et permettent donc de déterminer Ii et Ie.
Or, on sait qu'en l'absence des Eiles voisines, la compo-sante verticale Bz'l, Bz'2, Bz'3, Bz'~, du champ magnétique dans les quatre angles de la cuve es-t antisymétrique en y, la cuve étant, par construction, symétrique par rapport au plan xOz; on a donc :
Bz~l = Bz 4 sz'2 = -Bz 3 Le champ vertical créé par les files voisines, d'une part, ~ . .
et par les boucles magnétiques, d'autre part, est pratiquement indépendant de l'abscisse x, c'est-à-dire qu'i-l a une valeur constan-te bz sur tout le petit côté intérieur et une valeur constante bz' sur tout le coté extérieur.
On a donc~
Bzl = Bz'l + bz BZ2 = Bz 2 + bz Bz = Bz' + bzi = -sz' + bz' Bz4 = Bz 4 + bz Les équations (1) entralnent:
1.~30756 bz = ~bZ' = _ BZ'l + 3Z'2 Bzl _BZ 1 - Bz ' 2 Bz' 1 - BZ 2 Bz3 = 2 ~:
B - BZ'2 - Bz' et: BZ1 = -BZ2 = BZ3 = -BZ4 (2) Le but étant de moclifier, en l'améliorant, le champ magné-tique vertical sur le petit côté de la cuve, on placera le conducteur passant sous la cuve de facon qu'il ait une action maximale sur cette zone.
Sur la figure 1, C représente l.a section du conducteur de compensation bue en~.bout, et M, le point où le champ magné-tique à compenser est le plus intense; a est l'angle que -fait : le plan contenant le conducteur de compensation C et le point M
avec la verticale. Si on ~ppelle I l'intensité du courant dans le conducteur C, le champ magnétique B au point M vaut:
B = ~ Cos. Ol Si l'on appelle Bz la composante verticale du champ au point M~ on - B = B. sin ~ :
x 2 cos ~ sin h = 1 S i n 2 c~
h Bz est maximal pour sin 2 ~ = 1, donc pour ~ = 45 Le conducteur de compensation doit donc être placé, comme on le voit figure 2, de ~a~on telle que le pl.an défini par le ~3q;1 7~6 conducteur et par l'angle extérieur de l'anode fasse un angle sensiblement égal à 45 avec la verticale.
Sur cette figure 2 qui schématise une coupe verticale de la tete exterieure d'une cellule d'électrolyse, (1) est l'anode, (2) l'électrolyte fondu, (3) la couche d'aluminium liquide, (4) le bloc cathodique, (5) l'angle inférieur de l'anode au voisinage `
duquel le champ magnétique vertical à compenser est maximal et (6) le condùcteur de compensation.
La :Eigure 3, qui est une vue schématique en perspective d'une tête d'une cellule d'électrolyse, précise la position et le tracé du conducteur de compensation (7). Il comporte:
une descente (~) à partir du conducteLIr négatiE extérieur amont (9) jusqu'au niveau du fond de la cuve (10), un passage hori~on-tal (11) sous la cuve parallèlement à son petit côté (12), une remontee tl3) jusqu'au niveau du collecteur négatif extérieur aval (1~), placée entre ce dernier et le caisson de la cuve, et un retour ~].5), parallèlement au grand coté (16) de la cuve, pour rejoindre le collecteur extérieur amon (9). Le tracé en poin-- ~ tillé fléché indique comment se forme la boucle électrique géné- :
ratrice du champ de compensation. Les barres cathodiques sont désignées par le repère (17). Une boucle identique et symé-trique par rapport à l'axe de la série, est disposée sur l'autre tête de la cuve, comme le montre la figure 4.
Sur une série de cuves de 90 kA, avec 14 m de distance entre files de cuves, on utilise le dispositif indiqué ci-dessus et on calcule, à partir des équations (1):
Ii = 9 kA environ Ie = 22,5 kA environ On a mesuré sur ces cuves les champs magnétiques verticaux .
suivants:
dans les angles:
' . ., . :
1~L3(~75~; -Bzl = 31 Gauss BZ2 = ~40 Gauss Bz3 = 30 Gauss Bz4 = -40 Gauss La symétrie est donc réalisée de facon tout à fait satis-faisante.
Sur une série de cuves identiques, mais non compensées, on a mesuré par comparaison les champs magnétiques verticaux sui-vants, dans les angles:
Bzl = 55 Gauss BZ2 = -25 Gauss Bz3 = 15 Gauss Bz4 = -75 Gauss Un tel déséquilibre affecte la bonne marche des cuves et se :~
traduit par un rendement Faraday insuffisant.
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~ 3 ~) 7S ~
symmetry of the vertical magnetic field according to the following rule. `~
- The absolute value of the component Bz is the same in the four angles, The key sign Bz is alternately positive and negative when we passes from one corner of the tank to the other following its perimeter, This result is obtained:
a) taking into account the magnetic field created by the lines of volslnes tanks, b) taking into account the modification of the magnetic field due the presence of ferromagnetic parts located at near the tank.
Bz designates the component of the magnetic field along the vertical axis cal Oz, in a reference trihedron whose axis Ox is parallel to the axis of the series in the direction of the current, the point O being fixed in the center of the cathode plane.
In the French patent 2,333,060 and the certificate of 2,343,826 to this patent, means have been described for compensate for the magnetic field created by the rows of neighboring tanks ~
nes by placing a current loop under the outer head, that is to say under the small side of the tank furthest from `
the nearest Eile. The device used consists in deviating part of the current bypassing the outer head of the tank by passing it through a conductor located under the tank.
The method, object of the invention, which aims to symmet sort the vertical component of the magnetic field of the tanks - electrolysis placed across, that is to say to bring the vertical magnetic field to have substantially the same value absolute in the four angles of the tank, with signs alternately positive and negative when describing the perimeter of the tank, consists in modifying the distribution of the current in the supply conductors of the anode of a downstream tank to ... ..
'''' ~ `` ''. ~; :, "' 75 ~ `
from the neighboring upstream tank method by superimposing to the tank two electric loops producing a magnetic field medium vertical of the tank on its short side, and direction on the contrary, these electric compensation hoops being available placed under each of the small ribs or "heads" of the tank and at pass, in an additional conductor a fraction or all of the current flowing through the upstream negative collector, this additional conductor joining the same upstream collector along the long downstream side of the tank.
Additional conductors are placed highest possible under the tank, horizontally and parallel to short sides of the tank and Eacon such as the passing planes by the internal and external conductor and by the internal edge the anode on the inside and outside sides respectively make an angle with the vertical substantially equal to 45.
Figures 1 and 2 show the position of the driver compensation under the heads of the tank.
Figure 3 shows the actual geometric arrangement of the compensation loop under one of the heads of the tank.
Figure 4 shows schematically, in plan, the position of the conduc-linkers between two successive tanks and the position compensation loops under the heads of one of the tanks (the upstream tank).
For the implementation of the invention, everything is necessary first determine the intensities Ii and Ie in the loops of compensation.
We calculate the vertical magnetic field in each of the tank angles (i.e. (Eigure ~):
BZl in the upstream interior corner BZ2 in the downstream interior corner Bz3 in the downstream outside corner : ~ L13 ~) 756 Bz4 in the upstream outside corner.
The expressions upstream / downstream being understood with respect to the general direction of current in the tank queue. The calculation of these fields is fair and counting the magnetic field created by the neighboring lines and action on the field of iron masses romagnétlques located near the tank.
We then write the following two equations:
Bzl + BZ2 =
Bz3 - ~ Bz4 = O
Equations (1) are linear in Ii and Ie (the field magnetic being proportional to the intensity) and therefore allow to determine Ii and Ie.
Now, we know that in the absence of the neighboring Eiles, the composition vertical health Bz'l, Bz'2, Bz'3, Bz '~, of the magnetic field in the four corners of the tank is asymmetric in y, the tank being, by construction, symmetrical with respect to the plane xOz; So we have :
Bz ~ l = Bz 4 sz'2 = -Bz 3 The vertical field created by the neighboring queues, on the one hand, ~. .
and by magnetic loops, on the other hand, is practically independent of the abscissa x, i.e. i-l has a value do you see bz on the whole inner side and a value constant bz 'on the whole outer side.
So we have ~
Bzl = Bz'l + bz BZ2 = Bz 2 + bz Bz = Bz '+ bzi = -sz' + bz ' Bz4 = Bz 4 + bz Equations (1) entraln:
1. ~ 30756 bz = ~ bZ '= _ BZ'l + 3Z'2 Bzl _BZ 1 - Bz '2 Bz '1 - BZ 2 Bz3 = 2 ~:
B - BZ'2 - Bz ' and: BZ1 = -BZ2 = BZ3 = -BZ4 (2) The aim is to modify, by improving, the magnetic field vertical tick on the small side of the tank, we will place the conductor passing under the tank so that it has an action maximum in this area.
In figure 1, C represents the cross section of the conductor compensation point in ~ .bout, and M, the point where the magnetic field tick to compensate is the most intense; a is the angle that -makes : the plane containing the compensation conductor C and the point M
with the vertical. If we call ~ I the intensity of the current in conductor C, magnetic field B at point M is:
B = ~ Cos. Ol If we call Bz the vertical component of the field at point M ~ on - B = B. sin ~:
x 2 cos ~ sin h = 1 S in 2 c ~
h Bz is maximum for sin 2 ~ = 1, therefore for ~ = 45 The compensation conductor must therefore be placed, as seen in Figure 2, from ~ a ~ on such that the pl.an defined by the ~ 3q; 1 7 ~ 6 conductor and by the outside angle of the anode make an angle substantially equal to 45 with the vertical.
In this figure 2 which shows schematically a vertical section of the outer head of an electrolysis cell, (1) is the anode, (2) the molten electrolyte, (3) the layer of liquid aluminum, (4) the cathode block, (5) the lower angle of the anode in the vicinity `
of which the vertical magnetic field to be compensated is maximum and (6) the compensation driver.
The: Eigure 3, which is a schematic perspective view of a head of an electrolysis cell, specifies the position and the layout of the compensation conductor (7). It comprises:
a descent (~) from the upstream external negative conductor (9) up to the bottom of the tank (10), a passage hori ~ on-tal (11) under the tank parallel to its short side (12), a ascent tl3) to the level of the external negative collector downstream (1 ~), placed between the latter and the tank casing, and a return ~] .5), parallel to the large side (16) of the tank, to join the external collector amon (9). The point plot - ~ dotted arrow indicates how the electric loop is formed:
compensation field scorer. The cathode bars are designated by the reference (17). An identical and symmetrical loop stick relative to the axis of the series, is arranged on the other tank head, as shown in Figure 4.
On a series of 90 kA tanks, with a distance of 14 m between rows of tanks, the device indicated below is used above and we calculate, from equations (1):
Ii = 9 kA approximately Ie = around 22.5 kA
The vertical magnetic fields were measured on these tanks.
following:
in the corners:
'. .,. :
1 ~ L3 (~ 75 ~; -Bzl = 31 Gauss BZ2 = ~ 40 Gauss Bz3 = 30 Gauss Bz4 = -40 Gauss Symmetry is therefore achieved in a completely satisfactory manner.
doing.
On a series of identical, but not compensated, tanks measured by comparison the following vertical magnetic fields in the corners:
Bzl = 55 Gauss BZ2 = -25 Gauss Bz3 = 15 Gauss Bz4 = -75 Gauss Such an imbalance affects the proper functioning of the tanks and is: ~
results in an insufficient Faraday yield.
~:.