11436~5 La présente invention concerne un nouveau disposi-tif et un nouveau procédé pour la suppression des perturbations magnétiques néfastes au bon fonctionnement des cuves d'electro-lyse à très haute intensité plc~cees en travers. Ces cuves sont destinées à la production d'aluminium par electrolyse de l'alu-mine dissoute dans les bains de fluorures d'aluminium et de sodium. L'invention s'applique à la reduction des forces magne-tiques appliquees au mé-tal liquide contenu dans ces cuves. Ces forces sont dues à l'action conjuguee des couran-ts horizontaux apparaissant dans le métal et du champ magnétique cree par les conducteurs d'une cuve et de ses voisines d'une même file, ainsi que par les conducteurs des cuves des files adjacentes.
Les cuves sont, en effet disposées en serie selon un certain nombre de files adjacentes, de façon à assurer le retour du courant à sa source.
L'invention ne s'applique qu'à l'equilibrage du champ magnetique cree par les conducteurs de la cuve et de ses voisi-nes de la même file. L'influence d'une ou plusieurs files adjacentes, lorsque celles-ci se trouvent à une distance relati-vement proche de la file consideree, fait l'objet de brevets separes: brevet français 2 333 060 et son certificat d'addition 11436 ~ 5 The present invention relates to a new device and a new method for suppressing disturbances magnetic detrimental to the proper functioning of electro-very high intensity lysis plc ~ cees crosswise. These tanks are intended for the production of aluminum by electrolysis of aluminum mine dissolved in the aluminum fluoride and sodium. The invention applies to the reduction of forces magne-ticks applied to the liquid metal contained in these tanks. These forces are due to the combined action of horizontal currents appearing in the metal and the magnetic field created by them conductors of a tank and its neighbors in the same line, as well as by the conductors of the tanks of the adjacent queues.
The tanks are, in fact, arranged in series according to a certain number of adjacent lines, so as to ensure the return of the running at its source.
The invention only applies to field balancing magnetic created by the conductors of the tank and its neighbors from the same queue. The influence of one or more lines adjacent, when these are at a relative distance close to the line considered, is the subject of patents separate: French patent 2,333,060 and its certificate of addition
2 343 826 et demande de brevet canadien n 327.387 déposee le 10 mai 1979.
On sait que, pour réduire les investissements et diminuer les coûts d'exploitation, la tendance est d'augmenter la taille des unites de pxoduction, ce qui entraine un accrois-sement de l'intensite traversant chaque cuve. La gamme d'inten-sité des nouvelles cuves, qui se situait recemment en-dessous de 200.000 A, est actuellement comprise dans la fourchette 200.000 à 300.000 A.
A ces intensites, les effets magnetiques prennent une telle amplitude que, si l'on ne prenait pas de dispositions - -6~5 particulières pour en atténuer les effets, le rendement de cellules d'~lectrolyse s'en trouverait fortement diminué et, .
à la limite, tout fonctionnement normal pourrait devenir impossible.
Ces perturbations se manifestent par plusieurs effets:
- d~ormation permanente de la nappe de métal avec, d'une part, une dénivellation globale, pente pouvant atteindre, dans certains ca9, une valeur supérieure à la distance anode-métal et, d'autre part, une déformation en dôme symétrique , - existence de mouvements permanents du bain et du métal dont la configuration peut être pluq ou moins favorable au bon déroulement de l'électrolyse ;
- existence de mouvements périodi~ues de l'interface bain/métal, néfastes au rendement de l'électrolyse (instabilités), et pouvant aller, dans certains cas, jusqu'à l'expulsion de métal hora de la cuve, Pour supprimer les perturbations magnétiques, on peut soit agir sur les courants horizontaux, ~oit agir sur le champ magnétique, soit sur les deux ; la présente in~ention est basée sur ce dernier cas.
Par convention, dans tout ce qui suit, on d~signe par Bx, By et Bz les composantes du champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz, dans un trièdre direct dont l'origine 0 est le centre du plan cathodique de la cuve. Ox ~tant l'axe transversal de la cuve dirigé dans le sens de la circulation du courant dan~ la file des cuves, Oy l'axe longitudinal de la cuve et Oz l'axe vertical dirig~ vers le haut.
Les cotés de la cuve sont appelés "petits côtés" et "grands côtés", ces derniers étant, dans le cas de séries de cuves en travers, perpendiculaires à l'axe de la s~rie ;
l'expression "tête"est utilisée pour d~signer les extr~mit~s, ~3~5 sur les petits côt~s, aussi bien de la cuve ~ue du système anodique. De la fa,con habituelle, on parlera pour chaque cuve de côté amont et de côté aval par référence au sens conventionnel du courant dans la série.
Enfin, on conviendra d'appeler "cuve considérée" celle dont on extrait le courant par la cathode, "cuve précédente"
celle qui alimente, à partir de ses sorties cathodiques, le système anodique de la cuve consid~rée, et "cuve suivante" celle dont le croisillon anodique est alimenté en courant à partir des sorties cathodiques de la cuve considérée.
Toutes les valeurs des champs magnétiques sont données en "Tesla" (T) ( 1 T = 10 4 Gauss).
L'objet de l'invention est un dispositif pour la suppression des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée destinées à la production d'aluminium à partir d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, fonctionnant sous une intensité pouvant atteindre 200.000 300.000 ampères, les dites cuves comportant un caisson parallélépipédique supportant des blocs cathodiques dans lesquels sont scellées les sorties de courant cathodique (dites "sorties cathodiques"), et un ~ystème anodique (qui peut être du type S~derberg à autocuisson, ou du type à anodes multiples précuites)- suspendu à un croisillon, les cuves étant connectées électriquement en série par les conducteurs reliant les sorties cathodiques d'une cuve donnée au croisillon de 1 cuve suivante dans la série, les cuves étant, en outre, disposées en travers par rapport à l'axe de la série, dispo~itif dans lequel les sorties cathodiques sont constituées par une pluralité d'éléments conducteurs, le plus souvent métalliques, sortant verticalement par le fond du caisson, et dans lequel, en outre, une partie des conducteurs de liaison 36~S
entre cuves sont disposés, sur au moins une partie de leur trajet, à l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
Un autre objet de l'invention est un procédé pour la suppre~sion des perturbations magnétiques dans les séries de cuves d'électrolyse ignée, destinées à la production d'alu-minium, à partir d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue, fonctionnant sous une intensité pouvant atteindre 200.000 à
300~000 ampères, les dites cuves comportant un caisson parallélépipédique supportant des blocs cathodiques en carbone dans lesquels sont scellées les sorties de courant cathodique et un système anodique suspendu à un croisillon t les cuves étant connectées électriquement en ~rie par des conducteurs reliant les sorties cathodiques d'une cuve au croisillon de la cuve suivante, et étant disposée~ en travers par rapport à l'axe de la s~rie, procédé dans lequel le courant cathodi~ue est extrait par une pluralité d'éléments conducteurs scellés dans les blocs cathodiques et sortant verticalement par le fond du caisRon et dan3 lequel une fraction du courant total circulant dans les conducteurs de liaison entre les cuves, fraction comprise entre 30 et 5~ % est dérivée dans des conducteurs disposés, sur au moins une partie de leur trajet, à
l'extérieur des deux plans verticaux passant par les extrémites du système anodique.
La répartition de ce courant dérivé peut être symétrique par rapport à l'axe de la série, et se répartir également sur chaque côté des cuves, ou être dissymétrique, et se répartir inégalement sur chaque côté des cuves.
Le croisillon d'une cuve considérée est alimenté en courant à partir des sorties cathodiques de la cuve précédente par une pluralité de montées verticales qui peuvent Re raccorder soit en totalité sur le coté amont du dit croisillon, soit ~ la 2,343,826 and Canadian Patent Application No. 327,387 filed on May 10, 1979.
We know that to reduce investments and decrease operating costs, the trend is to increase the size of the production units, which leads to an increase intensity of intensity passing through each tank. The range of inten-sity of new tanks, which was recently located below of 200,000 A, is currently within the range 200,000 to 300,000 A.
At these intensities, the magnetic effects take on a so great that if you didn't make arrangements - -6 ~ 5 to mitigate the effects, the performance of ~ electrolysis cells would be greatly reduced and,.
ultimately, all normal operation could become impossible.
These disturbances are manifested by several effects:
- permanent decoration of the sheet of metal with, on the one hand, a global drop, slope up to, in some ca9, a value greater than the anode-metal distance and, on the other hand, a symmetrical dome deformation, - existence of permanent bath and metal movements including the configuration may be more or less favorable to the good course of electrolysis;
- existence of periodic movements of the bath / metal interface, harmful to the efficiency of electrolysis (instabilities), and in some cases up to the expulsion of metal hora of the tank, To remove magnetic disturbances, we can either act on the horizontal currents, ~ or act on the magnetic field, either on both; this in ~ ention is based on the latter case.
By convention, in all that follows, we mean by Bx, By and Bz the components of the magnetic field according to the axes Ox, Oy and Oz, in a direct trihedron whose origin 0 is the center of the cathode plane of the tank. Ox ~ both the axis transverse of the tank directed in the direction of circulation of the current dan ~ the queue of tanks, Oy the longitudinal axis of the tank and Oz the vertical axis directed upwards.
The sides of the tank are called "short sides" and "long sides", the latter being, in the case of series of tanks across, perpendicular to the axis of the series;
the expression "head" is used to designate the extremities, ~ 3 ~ 5 on the small sides, as well of the tank of the system anodic. In the usual way, we will talk for each tank upstream side and downstream side with reference to the direction conventional current in the series.
Finally, it will be appropriate to call "tank considered" that from which the current is extracted by the cathode, "previous tank"
that which feeds, from its cathode outputs, the anodic system of the considered tank, and "next tank" that whose anode spider is supplied with current from cathodic outputs of the tank in question.
All values of magnetic fields are given in "Tesla" (T) (1 T = 10 4 Gauss).
The object of the invention is a device for the suppression of magnetic disturbances in the series of igneous electrolysis tanks for the production of aluminum from alumina dissolved in the molten cryolite, operating at an intensity of up to 200,000 300,000 amperes, the so-called tanks comprising a box rectangular supporting cathode blocks in which are sealed cathode current outputs (say "cathodic outputs"), and an anodic system (which can be of the S ~ derberg type with self-cooking, or of the multiple anode type precooked) - suspended on a cross, the tanks being electrically connected in series by the connecting conductors the cathodic outputs of a tank given to the cross of 1 next tank in the series, the tanks being, in addition, arranged across the axis of the series, available ~ itif in which the cathode outputs are constituted by a plurality of conductive elements, most often metallic, protruding vertically from the bottom of the box, and in which, in addition, part of the connecting conductors 36 ~ S
between tanks are arranged, on at least part of their path, outside the two vertical planes passing through the ends of the anode system.
Another object of the invention is a method for the removal of magnetic disturbances in series of igneous electrolysis cells, intended for the production of aluminum minium, from alumina dissolved in molten cryolite, operating at an intensity of up to 200,000 to 300 ~ 000 amperes, the so-called tanks comprising a box parallelepiped supporting carbon cathode blocks in which the cathode current outputs are sealed and an anodic system suspended from a cross t the tanks being electrically connected in ~ rie by conductors connecting the cathode outputs of a tank to the cross of the next tank, and being arranged ~ crosswise relative to the axis of the series, process in which the cathodic current is extracted by a plurality of sealed conductive elements in cathode blocks and coming out vertically through the bottom of the housing and dan3 which a fraction of the total current circulating in the connecting conductors between the tanks, fraction between 30 and 5 ~% is derived in conductors willing, on at least part of their journey, to the exterior of the two vertical planes passing through the extremities of the anode system.
The distribution of this derivative current can be symmetrical with respect to the axis of the series, and to be distributed also on each side of the tanks, or be asymmetrical, and distribute unevenly on each side of the tanks.
The spider of a tank considered is supplied with current from the cathode outputs of the previous tank by a plurality of vertical climbs which can Re connect either entirely on the upstream side of said cross, or ~ the
3~S
fois sur le côté amont et sur le caté aval, une partie du courant pouvant, en outre, ~tre amenée ~ l'une e~ ou ~ l'autre des tête3 du dit croisillon.
La figure 1 représente les deux systèmes de sorties cathodiques dessinées, par simplification, sur la même cuve :
sorties latérales et sorties par le fond.
La figure 2 représente schématiquement la coupe d'une cuve, sur latluelle apparaissent les trois axes de coordonnées utilisés pour définir la direction des composantes du champ magnétique.
La figure 3 représente la répartition de la moyenne de la composante verticale Bz du champ magnétique sur les quatre quadrants de la cuve.
La figure 4 schématise la position des conducteurs de liaison, selon l'invention, par rapport au plan vertical zz' passant par l'extrémité du système anodique.
Les figures 5, 6, 7 indiquent, de façon schémati~ue, les diverses variantes des trajets ~ue peuvent suivre les conducteurs de liaison, dans le cadre de l'invention.
La figure ~ indique comment seraient constituées les liaisons entre cuve, en mettant en oeuvre les connaissances de l'art antérieur.
Les figures 9 à 13 représentent la mise en oeuvre de l'invention sous cinq variantes différentes, ~ui font chacune l'objet d'exemple de mise en oeuvre.
La figure 14 est le schéma d'une réalisation pratique et la figure lS, une coupe, dans le sens de l'axe de la série, de cette même réalisation, indiquant la position réelle des conducteurs.
Sur ces différentes figures, le sens du courant ira du bas vers le haut de chaque de~sin et sera indiqué par une flèche. De même, les memes éléments sont déQignés par les 6~5 mêmes repères numériques. (1) désigne les sorties cathodiques latérales selon l'art antérieur, (2) les sorties cathodiques par le fond du caisson, (3) le caisson, (4) le contour des blocs anodiques, (5) le système anodique, (6) le bain d'électrolyse, (7) la nappe d'aluminium liquide ~ormée sur la cathode, (8) le conducteur (ou groupe de conducteurs) de dérivation, (9) le croisillon.
Dansles cuves classiques, les courants horizontaux sont principalement générés par le mode de collecte du courant cathodique. Le courant est extrait par des barres cathodiques (1) latérales c1ui ont l'inconvénient de concentrer le courant qur les deux grands côtés de la cathode. Quand on augmente la taille de la cuve, on est amené à élargir la cathode, ce qui a pour ef~et d'accroftre les courants horizontaux dans le métal liquide.
Dans la pr~sente invention, le courant est extruit de la cathode de carbone par des sortie~ verticales (2) que nous désignerons dans la suite de l'exposé par le terme de sorties par le fond. Ce procédé permet de réduire considérablement les courants horizontaux dans le métal tout en obtenant un gain de l'ordre de 0,1 V sur la chute cathodique.
Cette amélioration de la chute cathodique se traduit par une réduction de 300 K ~ t de l'énergie spécifique consommée par la cuve.
Du fait des sorties par le fond, nous ne distinguerons plus le courant cathodique extrait par l'amont de celui extrait par l'aval, comme il était d'usage de le faire dans le cas de cuves à sorties cathodiques latérales, puis~ue l'ensemble du courant sort par le dessous de la cuve. La définition du nombre, de la position et du dispositif d'ancrage dans la cathode de carbone des ~orties verticales par le fond, sera considérée comme connue de l'homme de l'art.
L'idée des sorties par le fond a été décrite dans plusieurs brevets anciens , trois d'entre eux ne font appel qu'aux sorties par le fond, à l'exclusion de toute description de~ conducteurs de liaison : FR. 953 374, IT. 451 183 et F~. 1 125 949. Le premier ne concerne que les cuves à
l'intensité relativement faible, voisine de 100.000 A. Deux autres brevet~, ne s'appliquant également qu'aux cuves d'intensité voisine de 100.000 A, décrivent des disl~ositions coûteuses des conducteurs conduisant à un équilibrage sommaire sur le plan du champ magnétique:N0. 83 883 et FR.
1 079 131 et son additif no 65 320. Les trajets des conducteurs de liaison sont longs, entrafnant un inve~tissement important en conducteurs et des chutes de tension en ligne élevées. L'invention permet de supprimer les perturbations magnétiques sur ces cuves par la suppression des courants horizontaux et par l'équilibrage du champ magnétique.
En ce qui concerne le champ magnétique, on conviendra d'appeler "antisymétriclue" par rapport à un plan donné, une composante, lorsqu'à tout couple de points symétriques par rapport à ce plan correspondent deux valeurs opposées de la composante.
~ ans les cuves en travers, en l'absence de l'e~fet de files voisine~, les composantes Bx et Bz sont, par construction, antisymétriques par rapport au plan x o z.
En ce qui concerne l'équilibrage du champ magnétique, qui préside au choix de la disposition des conducteurs de liaisons, nous avons adopté les deux critères suivants :
- Un critère principal appliqué à la composante verticale consistant en l'égalité des moyennes de Bz par quart de cuve.
La num~rotation des quadrants de cuve est définie sur la figure 3.
- .
~1~3695 L'éyalité des moyennes s'écrit :
Bzl = -Bz Cette égalité, compte tenu de l'antisymétrie, entrainera, en l'absence de files voisines :
Bzl = -B~4 = BZ3 Bz2 De plu8, les valeurs ponctuelles de Bz devront 8tre faibles. Le champ sera calculé en prenant en compte l'effet des pièces ferromagnétiques de la cuve et de son environnement.
- Un crit~re secondaire consistant en la réduction de la valeur maximale de la composante horizontale Bx. La valeur maximale sera g~néralement située ~ l'extrémité du plan anodique, sur les petits côtés de la cuve.
L'in~-ention consiste, pour les cuves en tra-~ers, d'intensité comprise entre 200,000 A et 300.000 A, en une combinaison des sorties par le fond et d'une dérivation d'une partie du courant dans des conducteurs disposés à l'ex~erieur des deux plans verticaux passant par les extrémités du système anodique.
En réalité, cette définition de l'emplacement deq conducteurs de dérivation doit être pr~cisée, car elle englobe une partie du caisson, et il est évident que les conducteurs de liaison ne peuvent pas passer à l'intérieur du caisson :
En pratique, les conducteurs de dérivation sont donc placés dans la ~one hachurée ABCDEF de la figure 4. Cette zone est délimitée côt~ caisson, par la paroi verticale AB du petit côté du caisson et, au-dessous du caisson, par le fond jusqu'~ l'aplomb de l'extrémité du système anodique (BC).
Néanmoins, le conducteur sera légèrement écarté de la paroi du caisson, à une distance compatible avec les exige~ces de la sécurité électrique. Côt~ opposé à la paroi du caisson, il n'y a pas de limite théorique de la zone. Cependant, afin de ne pas allonger inconsidérément le trajet des conducteurs, 36~5 on ne s'écartera pas au-delà d'un plan EF situé à un mètre environ de la paroi du caisson. La hauteur de la zone est théoriquement illimit~e, mais, pour des raisons d'économie de trajet et afin que le conducteur de dérivation ne gêne pas les opérations sur la cuve, la hauteur de la zone sera délimitée, en sa partie supérieure, par le haut du caisson (FA) et, en sa partie inférieure, par une fronti~re ED située à
un m~tre environ en-dessous du caisson.
Les figures 5, 6 et 7 permettent de mieux préciser le terme de "conducteur de dérivation".
Sur la figure 5, le courant cathodique collecté sous la cuve considérée, circule dans le conducteur (10) et est dérivé par les têtes de la cuve considérée (à l'extérieur du plan vertical passant par l'extrémité du système anodique)(4) par le conducteur de dérivation ~11) qui contourne les deux angles amont et aval de l'extrémité ~12) du plan anodi~ue.
Le conducteur de dérivation (11) passe sous le caisson (3) de la cuve considérée et qe raccorde au croisillon de la cuve suivante par la montée (13).
Sur la figure 6, le courant cathodique collecté
sous la cuve considérée, circule dans le conducteur (14) et est d~riv~ par les têtes de la cuve suivante par le conducteur de dérivation (15) qui contourne les deux angles amont et aval de l'extrémité (12) du plan anodi~ue de la cuve suivante (à
l'ext~rieur du plan vertical passant par l'extr~mité du dit système anodique). Le conducteur de dérivation (15) longe le caisson (3) de la cuve suivante sur son petlt côt~.
Sur la figure 7, une partie du courant cathodi~u~
collecté sous la cuve considérée, circule dans le conducteur (16) et est d~riv~e par les têteR de la cuve consid~rée par le conducteur de dérivation (17) qui contourne les deux angle~
amont et aval de l'extrémité (12) du plan anodi~ue de la cuve _g_ -6~5 considérée. Le conducteur de dérivation (17) longe le caisson (3) de la cuve considérée sur son petit côté. Une autre partie du courant cathodique, collecté sous la cuve considérée, circule dans le conducteur (18) et est dérivée par les têtes de la cuve suivante par le même conducteur de dérivation (19) ~ui contourne les deux angles amont et aval de l'extrémité (12~ du plan anodique de la cuve suivante. Le conducteur de dérivation (19) longe le caisson (3) de la cuve sur son petit côté.
La partie du courant qui est dérivée par chacune des têtes de la cuve est comprise entre 15 % et 27 % de la totalité du courant de la cuve. Plus précisément :
- dans le cas où le conducteur de dérivation alimente le croisillon de la cuve suivante par une montée positive située sur le grand côté amont de la cuve suivante, la fraction de courant dérivé par chacune des têtes de la cuve considérée sera comprise entre 15 % et 27 % de l'intensité totale , - dans le cas où le conducteur de dérivation alimente,le croisillon de la cuve suivante par une rnontée positive situ~e sur le grand côté aval de la cuve suivante, la fraction de courant dérivé par chacune des têtes de la cuve suivante sera comprise entre 15 % et 27 % de l'intensité totale.
Dans ces fourchettes, on ne prend pas en compte la compensation de l'effet d'une ou plusieurs files voisines adjacentes à la file considérée.
Pour les cuves ~ haute intensité, le nombre de montées positives sera généralement supérieur ou égal à ~uatre.
Néanmoins, dans le cas où l'invention est appliqu~e à des CUVeQ d'intensité inférieure ~ 200.000 A, on pourra se cont~nter de moins de quatre montées positives.
6~35 Illustrons sur un exemple l'importance d'un choix judicieux des conducteurs de liaisons pour une cuve ~ sorties par le fond :
En reliant directement les sorties par le fond au plan anodique de la cuve suivante à l'aide de cinq montées positives d'égale intensité, réparties sur le grand c~té d'une cuve 250.000 ampères ~figure 8), comme on le ferait en appliquant les connaissances de l'art antérieur, on ~btient un champ magnétique vertical croissant du centre de la cuve vers les têtes, avec des valeurs moyennes par quadrant, d~duction faite de l'effet des pièces ferromagnétiques :
30.10 4 T -30.10 4 T
s~ moyen : 0 Bz moyen :
~, ~
~ ~ 30.10 T -30.10 4 T
La condition :
E~Z1 = - BZ2 n'est absolument pas vérifiée puisque l'on a au contraire :
BZ1 = 2 Ce circuit, bien yue présentant l'avantage du trajet électrique le plus court, ne permet pas l'équilibrage du champ magnétique d'une cuve à sorties par le fond.
Nous fournissons ci-après des exemples d'application de 1'invention qui montrent 1'amélioration obtenue sur l'~quilibrage du champ magnétique. Sur les figures 9 et 13, par 80UCi de clarté nous ne représentons très schématiquement que les conducteurs reliant les sorties cathodiques (2~ de lal cuve consid~rée au croisillon ~9) alimentant les anode~ de la cuve suivante. En pratique, les conducteurs de liaison passent au-dessous du niveau du plan de travail, et rejoignent ensuite les croisillons par des montées verticales ou légèrement obliques.
.
, ~436~5 Dans tous les exemples présentés, chaque bloc cathodique disposé parallèlement ~ l'axe Ox, présente trois sorties verticales. Mais, bien entendu, le nombre réel de sorties peut être différent sans sortir du cadre de l'invention.
EXEMPLE 1 - Cu~es à sortleq par le fond, ~ cinq montées posi-tives, dont le courant dérivé par les têtes de la .
cuve suivante alil;lente cette dernière ~ar le qrand côté aval ~figure 9).
Le courant prélevé aux deux extrémités de la cathode est dérivé par les têtes de la cuve suivante pour aller alimenter son croisillon par l'aval par deux montées positives situées aux ~ 4 et y 4. La fraction de courant parcourant chacun des deux conducteurs de dérivation est égale aux ~ 16, soit 18,75 %, de l'intensité totale. Le reste du courant alimente le croisillon de la cuve suivante ~ l'amont, selon trois montées positives, l'une située selon l'axe Ox de la cuve et les deux autres aux t~tes du croisillon. Ces derni~res montéeq peuvent être indifféremment placées sur le grand ou sur le petit caté
de la cuve.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve à 250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagné-tiques est : ~
. .
~3~10 4 T _ 3.10 4 T
Y ~ - Bz moyen :o Bz moyen -3.10 4 T+ 3.10 4 T
Le champ horizontal Bx maximum est de 60.10 4.
EXEMPLE 2 : Cuves à sorties Dar le fond, ~ six montées positives, dont le cour~nt dérivé par les têtes de la CUV(3 suivante est collecté dans l'espace intercuve ~t est .
envoyé à l'aval du croisillon de la cuve suivante (fiqure 101.
Le courant prélevé aux deux extrémités de la cathode est collecté de part et d'autre de la cuve consid~rée dans l'espace intercuve. Une partie de ce courant est dérivée sur le~ têtes de la cuve considér~e. Le conducteur de r` dérivation longe ensuite les têtes de la cuve suivante et alimente son croisillon, par l'aval aux 1/4 et 3/ 4 du grand c~té. Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve suivante est traversé par ~5 du courant total. Le reste du courant cathodiclue alimente par l'amont le croisillon de la cuve suivante par quatre montées positive~ situées aux 8, 3/~ 5/8 et 1~-Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve à 250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques est: x ._ ~ 10 4 T - 10 4 T
Y < sz moyen _ O Bz moyen:
- 10 4 T + 10 T
., Le champ horizontal Bx maximum e~t de 25.10 4 T.
EXEMPLE 3 - Cuve à sorties par le fond à cinq montées positives dont le courant dérivé par les têtes de la cuve considérée est prélevé aux y 4 et 3/4 de la cathode ~iqure 11).
Le courant pr~levé aux 1~4 et 3/4 de la cathode rejoint le long du grand côté amont de la cuve considérée le conducteur de déri~ation circulant sur les têtes de la cuve considérée avant d'alisnenter par l'amont les t~tes du croisillon de la cuve suivante par une montée positive de part et d'aut~e de la cuve. Les montées peuvent être indifféremment plac~es sur le grand côté ou sur le petit côté de la cuve.
' 65~5 Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve considérée est parcouru par 3/16, soit 18,75%,de l'intensité totale. Le reste du courant cathodique alimente directement par l'amont, comme indi~lué sur la ~igure 11, le croisillon de la cuve suivante par trois montées positives situées aux 1/4, y 2 et 3/4 du grand côté.
Le champ vertical moyen ~uadrant de cette cuve 250.000 A, et compte tenu de l'ef~et des pièces ferromagnétiques est : , x .~ _ _~
+ 2.10 4 T - ~.10 4 T
Y ~ Bz moyen : O Bz moyen -- 10 T + 10 T
Le champ hori~ontal Bx maxin~um est de 40.10 4 T.
~MPLE 4 - Cuve ~ sorties par le fond, ~ cinq montées positives, dont le courant dérivé par les têt~s de la cuve considérée est prélevé aux deux extrémités de la cathode (figure 12).
Le courant pr~levé aux deux extrémités de la cathode rejoint le long du grand coté amont de la cuve considérée le conducteur de dérivation circulan~ sur les têtes de la cuve considérée avant d'alimenter l'extrémité amont du croisillon de la cuve suivante par une montée positive de part et d'autre de la cuve. Les montées peuvent être indifféremment placées sur le grand côté ou sur le petit côt~. Chacun des conducteurs de dérivation par les t8tes de la cuve considérée est parcouru par ~ 4 de l'intensité totale. Le reste du courant cathodique alimente directement par l'amont le croisillon de la cuve suivante par trois montées positives ~ituées aux 1/4, y 2 e1:
3/4 du grand côté.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve -~14369S
250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétiques est : , ~ ~
__ _ __.__ S.lO T _ 5.10 4 T
. y , Bz moyen : ~ Bz moyen :
_ 3 ~ S
times on the upstream side and on the downstream caté, part of the current which can, moreover, be brought ~ one e ~ or ~ the other heads3 of said crosspiece.
Figure 1 shows the two output systems cathodics drawn, for simplification, on the same tank:
lateral exits and exits from the bottom.
Figure 2 shows schematically the section of a tank, on the side appear the three axes of coordinates used to define the direction of the components of the magnetic field.
Figure 3 shows the distribution of the mean of the vertical component Bz of the magnetic field on the four quadrants of the tank.
Figure 4 shows the position of the conductors of connection, according to the invention, with respect to the vertical plane zz ' passing through the end of the anode system.
Figures 5, 6, 7 indicate, schematically ~ ue, the various variants of the routes ~ eu can follow the connecting conductors, within the framework of the invention.
The figure ~ indicates how would be constituted connections between tanks, using knowledge of the prior art.
Figures 9 to 13 show the implementation of the invention in five different variants, ~ ui font each the object of example of implementation.
Figure 14 is a diagram of an embodiment practical and figure lS, a section, in the direction of the axis of the series, of this same realization, indicating the actual position conductors.
In these different figures, the direction of the current will go from bottom to top of each of ~ sin and will be indicated by a arrow. Likewise, the same elements are designated by the 6 ~ 5 same numerical marks. (1) designates the cathode outputs lateral according to the prior art, (2) the cathode outputs by the bottom of the box, (3) the box, (4) the outline of the anode blocks, (5) the anode system, (6) the bath electrolysis, (7) the sheet of liquid aluminum ~ formed on the cathode, (8) the conductor (or group of conductors) of bypass, (9) the crosspiece.
In conventional tanks, the horizontal currents are mainly generated by the current collection mode cathodic. Current is extracted by cathode bars (1) side which have the disadvantage of concentrating the current that the two long sides of the cathode. When we increase the size of the tank, we are led to widen the cathode, which has ef ~ and to increase the horizontal currents in the liquid metal.
In the present invention, the current is extracted of the carbon cathode by vertical ~ outlets (2) that we will designate in the remainder of the description with the term of exits from the bottom. This process reduces considerably the horizontal currents in the metal while obtaining a gain of the order of 0.1 V on the cathodic drop.
This improvement in cathodic drop results in a reduction of 300 K ~ t of the specific energy consumed by the tank.
Because of the bottom exits, we will not distinguish plus the cathode current extracted by the upstream of that extracted downstream, as was customary in the case of tanks with lateral cathodic outputs, then ~ ue the whole current comes out from underneath the tank. The definition of number, position and anchoring device in the carbon cathode of the vertical nettles from the bottom, sera considered to be known to those skilled in the art.
The idea of bottom exits has been described in several old patents, three of them do not call only for bottom exits, excluding all description of ~ connecting conductors: FR. 953 374, IT. 451 183 and F ~. 1,125,949. The first relates only to relatively low intensity, close to 100,000 A. Two other patents ~, also only applicable to tanks with an intensity close to 100,000 A, describe disl ~ ositions expensive conductors leading to balancing summary on the magnetic field: N0. 83 883 and FR.
1,079,131 and its addendum no. 65,320. The routes of connecting conductors are long, entrainnant an inve ~ tissement important in conductors and voltage drops online high. The invention makes it possible to eliminate disturbances magnetic on these tanks by eliminating currents horizontal and by balancing the magnetic field.
With regard to the magnetic field, we will agree to call "anti-symmetric" in relation to a given plan, a component, when at any pair of symmetrical points by compared to this plane correspond two opposite values of the component.
~ in the vats cross, in the absence of e ~ fet of neighboring files ~, the components Bx and Bz are, by construction, asymmetrical with respect to the plane xo z.
Regarding field balancing magnetic, which governs the choice of arrangement of link conductors, we adopted both criteria following:
- A main criterion applied to the vertical component consisting of the equality of the means of Bz per quarter of tank.
The num ~ rotation of the tank quadrants is defined in Figure 3.
-.
~ 1 ~ 3695 The quality of the means is written:
Bzl = -Bz This equality, given the asymmetry, will result, in the absence of neighboring queues:
Bzl = -B ~ 4 = BZ3 Bz2 In addition, the point values of Bz should be 8 weak. The field will be calculated taking into account the effect ferromagnetic parts of the tank and its environment.
- A secondary criterion consisting in the reduction of the value maximum of the horizontal component Bx. The maximum value will be generally located at the end of the anode plane, on the short sides of the tank.
In ~ -ention consists, for tanks tra- ~ ers, of intensity between 200,000 A and 300,000 A, in one combination of bottom outlets and a derivation of a part of the current in conductors arranged in the former of the two vertical planes passing through the ends of the anode system.
In reality, this definition of the location of bypass conductors must be pr ~ cise because it encompasses part of the box, and it's obvious that the conductors of link cannot pass inside the box:
In practice, bypass conductors are therefore placed in the hatched ~ one ABCDEF of figure 4. This zone is bounded side ~ box, by the vertical wall AB of short side of the cabinet and, below the cabinet, at the bottom to the top of the end of the anode system (BC).
However, the conductor will be slightly moved away from the wall of the box, at a distance compatible with the requirements ~ these electrical safety. Side ~ opposite to the wall of the box, there is no theoretical limit of the area. However, in order not to indiscriminately lengthen the path of the conductors, 36 ~ 5 we will not deviate beyond an EF plane located at one meter about the wall of the box. The height of the area is theoretically unlimited, but for reasons of economy of path and so that the bypass conductor does not interfere operations on the tank, the height of the area will be bounded at the top by the top of the box (FA) and, in its lower part, by a fronti ~ re ED located at about one meter below the box.
Figures 5, 6 and 7 provide more detail the term "branch conductor".
In FIG. 5, the cathodic current collected under the tank considered, circulates in the conductor (10) and is derived by the heads of the tank considered (outside the vertical plane passing through the end of the anode system) (4) by the bypass conductor ~ 11) which bypasses the two upstream and downstream angles of the end ~ 12) of the anodic plane ~ eu.
The bypass conductor (11) passes under the box (3) of the tank considered and qe connects to the cross of the tank next by the climb (13).
In FIG. 6, the cathodic current collected under the considered tank, circulates in the conductor (14) and is d ~ riv ~ by the heads of the next tank by the conductor of bypass (15) which bypasses the two upstream and downstream angles of the end (12) of the anodi ~ ue plane of the next tank (at the outside of the vertical plane passing through the end of the said anode system). The bypass conductor (15) runs along the box (3) of the next tank on its side petlt ~.
In Figure 7, part of the cathodi current ~ u ~
collected under the considered tank, circulates in the conductor (16) and is d ~ riv ~ e by the head of the tank considered by the bypass conductor (17) which bypasses the two angles ~
upstream and downstream of the end (12) of the anodic plane of the tank _g_ -6 ~ 5 considered. The bypass conductor (17) runs along the box (3) of the tank considered on its short side. A
other part of the cathodic current, collected under the tank considered, circulates in the conductor (18) and is derived by the heads of the next tank by the same conductor bypass (19) ~ ui bypasses the two upstream and downstream angles from the end (12 ~ of the anodic plane of the next tank.
bypass conductor (19) runs along the tank casing (3) on its small side.
The part of the current which is derived by each of the tank heads is between 15% and 27% of the entire tank current. More precisely :
- in the case where the bypass conductor supplies the cross of the next tank by a positive rise located on the large upstream side of the next tank, the fraction of current derived by each of the heads of the tank considered will be between 15% and 27% of the total intensity, - in the case where the bypass conductor supplies the cross of the next tank with a positive fit located ~ e on the large downstream side of the next tank, the fraction of current derived by each of the heads of the next tank will between 15% and 27% of the total intensity.
In these ranges, we do not take into account the compensation for the effect of one or more neighboring queues adjacent to the line in question.
For ~ high intensity tanks, the number of positive rises will generally be greater than or equal to ~ four.
Nevertheless, in the case where the invention is applied ~ e to CUVeQ of lower intensity ~ 200,000 A, we can cont ~ nter less than four positive climbs.
6 ~ 35 Let us illustrate with an example the importance of a choice judicious connection conductors for a tank ~ outputs from the bottom:
By directly connecting the outputs from the bottom to anodic plan of the next tank using five climbs positive of equal intensity, distributed over the large side of a tank 250,000 amperes ~ figure 8), as we would do in applying the knowledge of the prior art, we obtain a vertical magnetic field increasing from the center of the tank towards heads, with mean values per quadrant, deduction made of the effect of ferromagnetic parts:
30.10 4 T -30.10 4 T
s ~ medium: 0 Bz medium:
~, ~
~ ~ 30.10 T -30.10 4 T
The condition :
E ~ Z1 = - BZ2 is absolutely not verified since on the contrary we have:
BZ1 = 2 This circuit, well yue with the advantage of the route shortest electric, does not allow field balancing magnetic of a bottom outlet tank.
We provide application examples below of the invention which show the improvement obtained on ~ balancing the magnetic field. In Figures 9 and 13, by 80UCi for clarity we do represent very schematically that the conductors connecting the cathode outputs (2 ~ of lal tank considered ~ at the cross ~ 9) supplying the anode ~ of the next tank. In practice, the connecting conductors pass below the level of the work plan, and then join the braces by vertical or slightly oblique ascents.
.
, ~ 436 ~ 5 In all the examples presented, each block cathodic arranged parallel ~ the Ox axis, has three vertical outlets. But, of course, the actual number of outputs can be different without departing from the scope of the invention.
EXAMPLE 1 - Cu ~ es to sortleq by the bottom, ~ five climbs posi-tives, of which the current derived by the heads of the .
next tank alil; slow the latter ~ ar the qrand downstream side ~ Figure 9).
Current drawn at both ends of the cathode is derived by the heads of the next tank to feed its brace downstream by two positive climbs located at ~ 4 and y 4. The fraction of current flowing through each of two bypass conductors is equal to ~ 16, or 18.75%, of total intensity. The rest of the current feeds the cross of the next tank ~ upstream, in three climbs positive, one located along the Ox axis of the tank and the two others at the head of the cross. These latest climb can be indifferently placed on the big or on the small cat of the tank.
The average vertical field per quadrant of this tank at 250,000 A, and taking into account the effect of the ferromagnetic parts tick is: ~
. .
~ 3 ~ 10 4 T _ 3.10 4 T
Y ~ - Medium Bz: o Medium Bz -3.10 4 T + 3.10 4 T
The maximum horizontal field Bx is 60.10 4.
EXAMPLE 2: Tanks with outlets at the bottom, ~ six positive rises, whose course ~ nt derived by the heads of the CUV (3 next is collected in the intercuve space ~ t is .
sent downstream from the cross of the next tank (figure 101.
The current drawn at the two ends of the cathode is collected on both sides of the considered tank in the inter-bowl space. Part of this current is derived on the ~ heads of the tank considered ~ e. The driver of bypass then runs along the heads of the next tank and feeds its cross, downstream to 1/4 and 3/4 of the large side. Each of the branch conductors by the heads of the next tank is crossed by ~ 5 of the total current. The rest of cathodiclue current feeds upstream the cross of the next tank by four positive ascents ~ located at 8, 3 / ~ 5/8 and 1 ~ -The average vertical field per quadrant of this tank at 250,000 A, and taking into account the effect of ferromagnetic parts is: x ._ ~ 10 4 T - 10 4 T
Y <mean sz _ O mean Bz:
- 10 4 T + 10 T
., The maximum horizontal field Bx is 25.10 4 T.
EXAMPLE 3 - Bottom outlet tank with five positive ascents whose current derived by the heads of the tank considered is taken at y 4 and 3/4 of the cathode ~ iqure 11).
The current pr ~ raised at 1 ~ 4 and 3/4 of the cathode joined along the large upstream side of the tank considered on drift conductor circulating on the heads of the tank considered before moving upstream the heads of the cross of the next tank by a positive rise on both sides of the tank. The climbs can be indifferently placed on the long side or the short side of the tank.
'' 65 ~ 5 Each of the lead conductors of the tank considered is traversed by 3/16, or 18.75%, of total intensity. The rest of the cathode current supplies directly upstream, as indicated on ~ igure 11, the cross of the next tank by three positive climbs located at 1/4, 2 and 3/4 of the long side.
The average vertical field ~ uadrant of this tank 250,000 A, and taking into account the ef ~ and ferromagnetic parts is:, x . ~ _ _ ~
+ 2.10 4 T - ~ .10 4 T
Y ~ Medium Bz: O Medium Bz -- 10 T + 10 T
The hori ~ ontal field Bx maxin ~ um is 40.10 4 T.
~ MPLE 4 - Tank ~ outlet from the bottom, ~ five positive ascents, of which the current derived by the heads of the tank considered is taken at both ends of the cathode (Figure 12).
The current pr ~ raised at both ends of the cathode joined along the long upstream side of the tank considered on circulan bypass conductor ~ on the tank heads considered before feeding the upstream end of the spider from the next tank by a positive rise on both sides of the tank. The climbs can be indifferently placed on the long side or on the short side ~. Each of the conductors bypass by the heads of the tank considered is traversed by ~ 4 of the total intensity. The rest of the cathode current directly feeds upstream the crosspiece of the tank following by three positive rises ~ ituted to 1/4, y 2 e1:
3/4 of the long side.
The average vertical field per quadrant of this tank -~ 14369S
250,000 A, and taking into account the effect of ferromagnetic parts is:, ~ ~
__ _ __.__ S.lO T _ 5.10 4 T
. y, average Bz: ~ average Bz:
_
- 4.10 4 T ~ 4.10 T
Le champ horizontal Bx maximum est de 48.10 T.
EXEMPLE 5 - Cuve à sortie~ par le fond, ~ quatre montées posltives, dont le courant dérivé par les têtes de la cuve considérée est collecté dans l'espace intercuve amont de la cuve considérée (figure 13) _ . _ . , Ce collecteur alimente le conducteur de dérivation par les têtes de la cuve considérée. Le courant dériv~
alimente ensuite le croisillon amont de la cuve suivante par deux montées positives situées aux ~ 8 et 7/ 8 du grand c8té.
Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes de la cuve considérée est parcouru par l/4 de l'intensité totale. Le reste du courant cathodique alimente par l'amont le croisillon de la cuve suivante par deux rnontées positives situées aux ~8 et 5/8 du grand caté.
Le champ vertical moyen par quadrant de cette cuve 250.000 A, et compte tenu de l'effet des pièces ferromagnétilues est : , ~ .
~ + 2.10 T - 2.10 T
Y , Bz moyen : o Bz moyen :
__ - 3.10 4 T + 3.10 4 T
Le champ horizontal Bx maximum est de 22.10 4 T.
Nous avons réalisé une série de cuves suivant l'in~
vention dont l'intenqité de fonctionnement a été fixée 250.000 A.
~1~36~5 La figure 14 donne schématiquement la disposition de l'ensemble des conducteurs de liaison entre la cuve considérée et la cuve ~uivante.
La figure 15 est une coupe transversale selon un a~e parallèle à Ox de la cuve considérée et de la cuve suivante.
La numérotation des éléments est commune aux deux figures. Sur la figure lS, le dispositif d'alimentation en alurnine, la superstructure, les anodes et leur ~ystème de suspen3ion ont été soit supprimés, soit représentés très schémati~uement pour la clarté du de~sin. Ils sont, dans la réalité, conformes à
l'art antérieur.
Les sorties cathodiques par les fonds (20) sont reliées à plusieurs collecteurs négatifs (21). Le courant collecté aux deux e~trémités de la cathode est raccordé par les conducteurs (22) aux conducteurs de dérivation (8) par les têtes de la cuve suivante et alimente ensuite le croisillon (9) de cette cuve par les montées (23) situées sur le côté aval au ~ 4 et au 3/4.
Chacun des conducteurs de dérivation par les têtes est traversé par 3/16, soit 18,75 %, de l'intensité totale.
La cote selon Oz de ces conducteurs est déterrninée de façon à assurer l'~quilibrage du champ magnéti~ue~ La zone de localisation de ces conducteurs a été définie précédemment (figure 4).
Le courant collecté au centre de la cathode est raccordé par les conducteurA (24) à trois montées verticales, reliées aux têtes et au milieu du croisillon, du côté amont.
- Chacun des conducteurs alimentant les têtes du croisillon est traversé par 1/4 de l'intensité totale et le conducteur alimentant le centre du croisillon est traversé par 1/8 de ~36~5 l'intensité totale.
Les cuves de la série construite selon l'invention ont les caractéristiques suivantes :
surface anodique : 348.000 cm2 dimension intérieure du cai~son : 13,6~ x 4,15 (en mètres) Au cours de leur fonctionnement, le~ r~sultats suivants ont ~té obtenus :
intensité moyenne : 252.000 A
rendement Faraday : 92,5 %
tension moyenne : 3,94 V
La consommation spécifique d'énergie correspondante est de 12.690 KWhytonne Al, ce qui constitue une valeur raccord avec des cuves fonctionnant à une intensit~ aus~i élevée. Ce gain obtenu entre autres par un abaissement de la chute cathodique qui s'est situ~e en moyenne à 0,25 V.
Bien que l'invention s'applique plus particuli~rement aux s~ries de cuves d'électrolyse fonctionnant sous de~
intensités comprises entre 200 et 300.000 ampères, elle peut s'appliquer également à des ~éries de cuves fonctionnant à
des intensités plus faibles co~prises, par exemple, entre 100.000 et 200.000 ampères. - 4.10 4 T ~ 4.10 T
The maximum horizontal field Bx is 48.10 T.
EXAMPLE 5 - Outlet tank ~ from the bottom, ~ four mounted posltives, of which the current derived by the heads of the tank considered is collected in space upstream intercuve of the considered tank (figure 13) _. _. , This collector supplies the bypass conductor by the heads of the tank in question. Current drift ~
then feeds the upstream brace of the next tank by two positive climbs located at ~ 8 and 7/8 of the big hill.
Each of the bypass conductors through the tank heads considered is traversed by l / 4 of the total intensity. The rest of the cathode current supplied upstream by the cross of the next tank by two positive leads located at ~ 8 and 5/8 of the big cat.
The average vertical field per quadrant of this tank 250,000 A, and taking into account the effect of ferromagnetilue parts is:, ~.
~ + 2.10 T - 2.10 T
Y, Bz average: o Bz average:
__ - 3.10 4 T + 3.10 4 T
The maximum horizontal field Bx is 22.10 4 T.
We made a series of tanks according to the in ~
vention whose operating intensity has been set 250,000 A.
~ 1 ~ 36 ~ 5 Figure 14 schematically gives the layout of all the connecting conductors between the tank considered and the next tank.
Figure 15 is a cross section along a a ~ e parallel to Ox of the tank considered and the next tank.
The numbering of the elements is common to the two figures. Sure Figure lS, the alurnine supply device, the superstructure, the anodes and their suspension system have been either deleted or shown very schematically ~ uement for the clarity of the de ~ sin. They are, in reality, consistent with prior art.
The cathodic outputs through the bottoms (20) are connected to several negative collectors (21). The stream collected at the two e ~ hoppers of the cathode is connected by the conductors (22) to the branch conductors (8) by the heads of the next tank and then feeds the spider (9) from this tank by the risers (23) located on the downstream side at ~ 4 and 3/4.
Each of the lead conductors is crossed by 3/16, or 18.75%, of the total intensity.
The Oz rating of these conductors is determined to ensure the ~ balancing of the magnetic field ~ the ~
location of these conductors was previously defined (figure 4).
The current collected at the center of the cathode is connected by conductors A (24) to three vertical climbs, connected to the heads and in the middle of the cross, on the upstream side.
- Each of the conductors supplying the heads of the spider is crossed by 1/4 of the total intensity and the conductor feeding the center of the cross is crossed by 1/8 of ~ 36 ~ 5 total intensity.
The tanks of the series built according to the invention have the following characteristics:
anode surface: 348,000 cm2 inside dimension of the box: 13.6 ~ x 4.15 (in meters) During their operation, the ~ results have been obtained:
average intensity: 252,000 A
Faraday yield: 92.5%
medium voltage: 3.94 V
The corresponding specific energy consumption is 12,690 KWhytonne Al, which constitutes a value connection with tanks operating at an intensity ~ aus ~ i high. This gain obtained inter alia by a lowering of the cathodic drop which was on average at 0.25 V.
Although the invention applies more particularly to the series of electrolytic cells operating under ~
intensities between 200 and 300,000 amps, it can also apply to ~ eries of tanks operating at lower intensities taken, for example, between 100,000 and 200,000 amps.