CA1232869A - Cuve d'electrolyse a intensite superieure a 250 000 amperes pour la production d'aluminium par le procede hall-heroult - Google Patents
Cuve d'electrolyse a intensite superieure a 250 000 amperes pour la production d'aluminium par le procede hall-heroultInfo
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Abstract
Cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult, fonctionnant au-delà de 250 000 Ampères, notamment de 270 000 à 320 000 Ampères. Dans cette cuve le raccordement entre chaque montée et le croisillon est effectué par des couducteurs électriques souples; la montée centrale est située dans l'axe de série, les deux montées intermédiaires et les deux montées latérales équidistantes, parcourues par des intensités sensiblement égales, sont reliées à six collecteurs cathodiques amont, deux centraux, deux intermédiaires et deux latéraux et trois collecteurs cathodiques aval, un central et deux latéraux. Des liaisons équipotentielles assurent l'équilibrage du courant entre les différentes sections des collecteurs amonts et avals. Ces cuves ont un fonctionnement très stable et un rendement énergétique élevé.
Description
3;~
CUVE D'ELECTROLYSE A INTENSITE SUPERIEURE A 250 000 AMPERES
POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR LE PROCEDE HALL-HEROULT
LA présente invention a pour abjet un dispositif pour la production d'alu-minium par électrolyse ignée dans des cuves à très haute intensit~, supé-rieure à 250 000 ampères, en particulier de 270 000 à 320 000 ampères , et avec des consommations énergétiques très faibles, sensiblement inférieu-res à 13 000 KWh/T d'aluminium.
Une cuve d'électrolyse ignée comprend un creuset rectangulaire dont le ~ond, constituant la cathode, est for~ par des blocs de carbone scellés sur des barres métalliques parallèles au petit côté de la cuve. La catho-de est reliée électriquement à un ou plusieurs conducteurs n~gatifs, dits "collecteurs". Sur le creuset est fixée une superstructure comprenant les croisillons horizontaux parallèles au grand côté de la cuve auxquels sont suspendues des anodes en carbone. Le creuset contient un bain d'électro-lyse constitué essentiellement par de l'alumine dissoute dans de la cryo-lithe. Les anodes sont alimentées en courant électrique par un ou plusieurs conducteurs d'alimentation positifs, dits "montées". Sous l'effet du pas-sage du courant, l'alumine se décompose en aluminium qui se dépose sur la cathode et en oxygène qui se combine au carbone des anodes. Une partie du bain se solidifie au contact des parois latérales du creuset, formant ainsi un talus électr-quement et thermiquement isolan . Dans le cas o~ les cuves sont disposées en travers, c'est-à-dire leur grand côté perpendicu-laire ~ la direction générale du courant dans la file des cuves, les ex-trémités des barres sont dites amont ou aval suivant qu'elles sortent du coté amont ou aval de la cuve par rapport au sens du courant pris comme référence Les cuves sont branchées en série, les collecteurs cathodiques d'une cuve amont étant reliés aux montées anodiques de la cuve aval suivante.
Les séries de cuves sont formées d'un nombre pair de files distinctes, l'une éloignant le courant de la sous-station, l'autre le ramenant vers la sous-station. La file la plus proche de la cuve considérée est appelée file voisine. Elle a un r81e important pour la cuve considérée car le champ magnétique qu'elle crée intéragit avec les champs magnétiques pro-pres de la cuve.
CUVE D'ELECTROLYSE A INTENSITE SUPERIEURE A 250 000 AMPERES
POUR LA PRODUCTION D'ALUMINIUM PAR LE PROCEDE HALL-HEROULT
LA présente invention a pour abjet un dispositif pour la production d'alu-minium par électrolyse ignée dans des cuves à très haute intensit~, supé-rieure à 250 000 ampères, en particulier de 270 000 à 320 000 ampères , et avec des consommations énergétiques très faibles, sensiblement inférieu-res à 13 000 KWh/T d'aluminium.
Une cuve d'électrolyse ignée comprend un creuset rectangulaire dont le ~ond, constituant la cathode, est for~ par des blocs de carbone scellés sur des barres métalliques parallèles au petit côté de la cuve. La catho-de est reliée électriquement à un ou plusieurs conducteurs n~gatifs, dits "collecteurs". Sur le creuset est fixée une superstructure comprenant les croisillons horizontaux parallèles au grand côté de la cuve auxquels sont suspendues des anodes en carbone. Le creuset contient un bain d'électro-lyse constitué essentiellement par de l'alumine dissoute dans de la cryo-lithe. Les anodes sont alimentées en courant électrique par un ou plusieurs conducteurs d'alimentation positifs, dits "montées". Sous l'effet du pas-sage du courant, l'alumine se décompose en aluminium qui se dépose sur la cathode et en oxygène qui se combine au carbone des anodes. Une partie du bain se solidifie au contact des parois latérales du creuset, formant ainsi un talus électr-quement et thermiquement isolan . Dans le cas o~ les cuves sont disposées en travers, c'est-à-dire leur grand côté perpendicu-laire ~ la direction générale du courant dans la file des cuves, les ex-trémités des barres sont dites amont ou aval suivant qu'elles sortent du coté amont ou aval de la cuve par rapport au sens du courant pris comme référence Les cuves sont branchées en série, les collecteurs cathodiques d'une cuve amont étant reliés aux montées anodiques de la cuve aval suivante.
Les séries de cuves sont formées d'un nombre pair de files distinctes, l'une éloignant le courant de la sous-station, l'autre le ramenant vers la sous-station. La file la plus proche de la cuve considérée est appelée file voisine. Elle a un r81e important pour la cuve considérée car le champ magnétique qu'elle crée intéragit avec les champs magnétiques pro-pres de la cuve.
- 2 - ~3~9 ~XPOSE DU PROBLEME
Les cuves d'électrolyse construites aujourd'hui fonctionnent génëralement à des intensités entre 150 OOO et ~40 000 ampères. L'homme de l'art sait que l'augmentation de l'intensité nominale conduit à la fois à un gain potentiel sur l'investissement et sur les coûts de fabrication. Ceci est d~ b l'augmentation de production journalière de la cuve, qui est pratique-ment proportionnelle à l'intensité nominale, et qui réduit, pour une pro-duction totale constante, le nombre de séries d'électrolyse à installer, les consommations énergétiques de l'outil de travail et en améliore la productivité.
La première limite à l'augmentation de taille des cuves d'électrolyse est donnée par la difficulté technique à augmenter l'intensité qui traverse une cuve, sans en affecter les rendements.
Le passage du ccurant électrique dans les conducteurs d'alimentation et ~9 dans les parties conductrices de la cuve produit des champs magnétiques qui provoquent des mouvements dans le métal liquide et une dé~ormation de l'interface métal-bain d'électrolyse. Ces mouvements du métal qui agitent le bain électrolytique placé sous les anodes peuvent, lorsqu'ils sont trop importants, court-circuiter cette lame de bain par un contact du métal liquide avec les anodes.
Le rendement de l'électrolyse se dégrade fortement et les consommations énergétiques augmentent. Cas problèmes sont amplifiés avec l'augmentation de l'ampèrage des cuves, car les champs magnétiques sont alors beaucoup plus intenses, et la sensibilité de l'interface bain-métal aux effets ma-gnétiques, plus importants.
Une des perturbations les plus difficiles à maitriser est l'autoinstabi-lité de la nappe de métal liquide. Il s'agit d'un phénomène auto-entretenu se traduisant par une position variable dans le temps de l'interface entre le bain et l'aluminium liquide. La distance entre le bas des anodes et la surface supérieure de la nappe d'aluminium liquide est variable et la ré-sistance électrique du bain varie avec le temps, sous chaque anode.
Les ensembles formés par chaque anode et le volume de bain qui leur est associé étant montés électriquement en parallèle entre les équipotentiel-les constatuées, d'une part, par le croisillon et, d'autre part, par le métal liquide 9 les intensités traversant chaque anode varient aussi dans le temps.
Cela induit des variations d'intensité dans chacun des conducteurs ame-nant le courant de la cuve précédente, la répartition des surplus ou des manques de courant constatés sur l'anode concernée se faisant selon les lois de répartition électriques connues de l'homme de l'art. Ces varia-tions d'intensité induites, d'une part modifient les cartes de champsmagnetiques de la cuve concernée, et d'autre part imposent des courants horizontaux forcés de rattrapage dans le métal de la cuve précédente qui se trouve déséquilibrée. La présence ou l'absence d'équipotentielle, leur nombre et leur localisation permettent de modifier ces perturbations électriques. I1 devient alors possible de les placer de telle sorte que la cuve amont soit électriquement quasiinsensible aux perturbations de la cuve concernée, et que les variations des champs magnétiques induites par la répercussion des modifications de répartition anodiques sur les répartitions entre les montées aient un r81e favorable dans l'amortisse-ment de la perturbation.
Le passage du courant ~lectrique dans les conduc~eurs d'alimentatian etdans le bain d'électrolyse produit un champ magnétique dans la couche de bain liquide et la couche d'aluminium liquide. La présence dans bain et metal de courant électrique, caractérisé en tout point par un vecteur densité de cou~ant J, se traduit par l'existence dans le bain et le metal de forces de volumes électromagnétiques. Ces forces de volumes, appelées forces de Laplace, sont exprimées vectoriellement par la formule :
= J->~ 8 ~
~ étant le vecteur du champ magnétique au point de calcul.
Une variation de la position de la surface bain métal modifie les valeurs de J >dans la lame et dans la ~one du métal liquide sous-jacente.
. , _ 4 - ~32~ 3 Les forces de Laplace varient donc et peuvent amortir ou amplifier ces dé-formations de l'interface. S'il y a amplification, une instabilité apparait, entretenue par des rotations, généralisées ou localisées, du métal li-quide. Suivant le cas, la période des instabilités peut être longue (}O
b 60 secondes) ou courte ~inférieure à S secondes).
La période de l'instabilité est longue ldrsque le mouvement du métal in-téresse toute la surface cathodique ou, parfuis, s'organise en deux rota-ti~ns symétriques affectant chacune des deux demi-cuves situées de part et d'autre de l'axe transuersal de la cuve.
Ceci se produit, en particulier, si les composantes verticales des champs magnétiques restent de même signe sur chaque demi-cuve. Ces mouvements peu~ent être minimisés en annulant la valeur intégrée du champ magnétique vertical sur toute la demi-cuve considérée. Pour des instabilités de type '!rapide", les mouvements de métal sont localisés sous certaines anodes.
Ils sont généralement déclenchés par une irrégularité de répartition de courant dans l'ensemble anodique à la suite d'interventions sur les cuves:
changement d'une anode usée par une anode neuve, anode positionnée trop près du métal liquide, coulée des cuves, polarisation partielle du système anodique par manque d'alurnine dans le bain.
On peut dire qu'en premiare approximation, les lignes de courant dcns le bain sont verticales. En effet, du fait des très grandes différences de r~sistivité du bain et du métal, si elles doivent aboutir en des points de la cathode non situés à la verticale de leur départ de l'anode, les lignes de courant s'inflechissent dans l'aluminium liquide.
Dans le cas d'une anode conduisant plus de courant que la moyenne des ano-des, le courant aura alors tendance à s'épanouir dans le métal liquide.
Les lignes de courant sont ici centri~uges. Dans le cas d'une anode con-duisant moins de courant que la moyenne des anodes, les lignes de cou-rant seront centr~pètes. ~ans ces deux cas, la densite de courant varie-ra dans l'épaisseur de la nappe de métal.
L'effet dynamique des forces de Laplace peut être exprimé dans le m~tal par l'existence d'un rotationnel non nul dans la zone considérée.
_ 5 _ ~.~3~6¢3 Symboliquement, celui-ci peut être écrit :
Rot ~ = ( ~ ~ (J
où~ est le vecteur de composantes :
La composante verticale Rz de ce vecteur rotationnel correspond à l'effet moteur de r~ation de la nappe de métal dans le plan horizontal. On peut la développer en :
Rz = ex dd~Z + By dJZ + Bz ddzZ - Jx ddBZ _ Jy ddBz _ Jz ddBz Dans l'axe des courants centrifuges ou centripèdes, on a :
dx dy Lorsque les valeurs de Bz sont faibles sur tout le ~olume du métal liqui-de, on a :
dBz dBz Faibles Donc Rz peut être arrondi ~ :
Bz dz ~ JZ dz qui varie lorsque Jz évolue dans le temps comme (BHz _ ddBz) ~ Jz d~Bz étant généralement faible devant H lorsque Bz est non nul, le terme HZ ~ JZ est représentatif de la sensibilité de la surface du métal aux var.iations d'intensités anodiques, H étant la hauteur de la couche d'alu-minium Fondu et ~ Jz la variation de Jz inductrice des mouvements demétal.
...
- 6 - ~ ~3~8~
L'homme de l'art cherche alors b ayir sur ces 3 éléments pour stabiliser la marche des cuves d'électrolyse.
- il augmente la hauteur de métal, mais ceci conduit à immobiliser une quantité d'aluminium plus importante dans chaque cuve. Cela rend d'autre part assez diFficile la remontée dans le bain d'électrolyse d'alumine non dissoute qui se serait déposée sur la cathode et augmente ainsi le risque "d'emplâtrage".
- il place ses conducteurs d'amenée du courant dans des positions telles que le champ vertical en tout point du creuset soit faible.
- il réduit les variations d'intensités dans les anodes en affinant les--méthodes d'exploitation, en surveillant automatiquement ou rrlanuellement les intensités anode par anode, en réglant la position des ar~odes à inten-sité trop faible ou trop forte par rapport aux valeurs nominales.
Pour l~s cuves d'intensité supérieure ~ 250 000 Ampères, cela conduit àmultiplie~ le nombre de montées, et à motoriser les anodes individuelle;
ment ou par groupe de deux. Faute de cela, les rend~3ments se dégradent, et les gains escomptés par augmentation de taille son~ effacés par les mauvais prix de revient de l'aluminium produit.
Mais, le coût d'une cuve est fortement augmenté car la motorisation indi-viduelle d'anodes représente un investissement très lourd par rapport à
celui des superstructures à motorisation globale, solution technique ha-bituellement retenue jusqu'à 200 à 250 000 Arnpères.
La courbe des investissements en fonction de l'intensité cle marche pré-sente alors une rupture à ce niveau, rendant économiquernent peu intéres-sant le passage de 200 000 à ~ûO oon Ampères.
La conception des cuves sans motorisation individuelle au-delà de 250 000 à 27û 000 Ampères implique le choix de positions originales des conducteurs garantissant des champs magnétiques verticaux partout inFérieurs a 1,5.
10 3 Teslas (15 Gauss), rnalgré les effets aclclitionnels apportés par les _ 7 _ ~3~
autres files de cuves et les autres séries~ Elles passent en outre par un amortissement maximal des variations cycliques d'intensités pouvant apparaître dans une anode et doit éviter la propagation de cette per-turbation au reste de la cuve ou à la cuve amont.
EXPOSE DE L'ART ANTERIEUR
On a décrit, antérieurement, des cuves d'électrolyse capables de fonction-ner sous des intensités élevees et dans lesquelles les perturbations ma-gnétiques étaient aussi réduites que possible.
Dans le brevet US 3 415 724 (ALCOA), l'équilibrage magnétique est obtenu 10 en disp~sant les conducteurs de liaison à l'extérieur du plan vertical passant par les petits côtés de la cuve et en dérivant une partie du cou-rant (moins de la moitié) dans deux barres passant sous la partie centra-le du caisson.
Dans les brevets fran~ais 2 324 761 et 2 427 760 d'ALUMINIUM PECHINEY, 15 (auxquels correspondent respect`ivement les brevets US. nD 4 049 528 et 4 200 760), on a décrit des cuves d'électrolyse fonctionnant sous 175 000 à 18n 000 Ampères avec des performances exceptionnelles en stabilité et rendement énergétique. Les composantes verticales~ du champ magnétique ont une ~ leur nulle ~our chaque demi-cu~/e, car elles sont égales et de signe opposé sur le quart amont et le quart aval. Mais, si ce~ dispositifs c~n-viennent bien pour des intensités inférieures à 200 000 Ampères~ leur ex-20 tension sans autre précaution à des cuves d'intensité supérieure à 200 000 Ampères peut faire de nouveau apparaitre les phénombnes évoqués d'insta-bilité de la surface du métal liquide et obliger à augmenter la distance anode-métal en perdant en densité anodique, c'est-à-dire en production et en énergie consommée, ce qui efface les gains escomptés.
25 Dans le brevet FR-A-2 469 475 (PECHINEY), on a proposé d'extraire le cou-rant cathodique par des sorties verticales traversant le fond du caisson une partie au moins des conducteurs de liaison étant disposés sous le fond du caisson.
Dans le brevet FR-A-2 416 276, une partie du courant est conduit à la cuve 30 suivante dans la série par des conducteurs disposés à l'extérieur du plan - B - ~ ~3~
vertical passallt par les petits côtés de la cuve. Deux conducteurs de liaison passent sous la cuve et forment, avec l'axe de la cuve, un anyle qui n'est pas précisé mais parait de l'ordre de 20 (fig. 2 du brevet).
En ce qui concerne la motorisa-tion individuelle des anodes, ou groupes d'anodes, on peut citer le brevet US ~ 210 513 (~LCO~) qui prevoit un arbre de commande pour chaque ligne d'anodes e-t une pluralite d'embrayages tele-commandes, qui déclenchent, a volonte, la montee ou la descente de chaque anode ou groupe d'anodes.
Dans le brevet canadien 1,178,921 délivré la 4 décembre 1984 au nom de ALUMINIUM PECHINEY, il es~ décrit un systere de réglage précis du p ~ anodi~ue par motorisation individuelle de chaque groupe de 2 anodes, dans une cuve comportant, au total, 40 anodes en deux lignes indépendantes de 20 anodes. Comme on l'a expliqué
plus haut, cette solution qui est -techniquement -tres satis-faisante, implique un investissement supplementaire rela-ti-vement lourd, mais procure un equilibre permanent et précis du courant traversant chaque groupe d'anodes.
EXPOSE DE L ' INVENTION
Selon la presente invention, il est prévu un dispositif destiné à la production d'aluminium par électro-lyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue selon le procédé Hall-Héroult, sous une intensité comprise entre 270 000 amperes et 320 000 amperes, avec une consommation énergétique inférieure a 12 600 kWh par tonne d'aluminium produit, ce disposi-tif comportant une pluralité de cuves rectangulaires, alignées, dont les petits côtes sont appelés têtes, disposées en travers par rapport a leur a~e d'ali-gnemen-t et connectées électriquement en serie en une seule file, ou en plusieurs files paralleles, chaque cuve compor-tant un caisson en acier, garni en materiau isolant, suppor--tan-t une ca-thode formee par une plurali-té de blocs carbonés - 8a - ~ ~32~69 juxtaposes dans lesquels sont scellees des barres cathodi-ques metalliques reliees à une pluralike de collecteurs cathodiques amont et aval, une pluralite d'anodes en pâte carbonee précuites dans lesquelles sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon mobile en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des moyens de connexion électriques entre les collecteurs cathodiques amont et aval d'une cuve, d'une part et le croisillon de la cuve suivante dans la série, d'autre part, dispositif dans lequel le croisillon de chaque cuve est connecté à la cuve précédente en cinq points, par cinq montees equidistantes, disposees sur son cote amont, carac-térisé en ce que:
- le raccordement entre chaque montee et le croi-sillon est effectué par des conducteurs électriques souples, - la montée centrale située dans l'axe de série, les deux séries intermediaires et les deux montees laterales, parcourues par des intensités sensiblement égales, sont reliees a six collecteurs cathodiques amont, deux centraux, deux intermediaires et deux lateraux et trois collecteurs cathodiques aval, un central et deux lateraux, - les collecteurs cathodiques avals sont relies entre eux par des liaisons équipotentielles constituées de conducteurs souples, - les collecteurs cathodiques amont centraux sont également reliés entre eux par une liaison équipotentielle constituee par des conducteurs souples.
Des modes de realisation preférentiels vont être maintenant décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se 3Q référant aux dessins attachés, dans lesquels:
Les figures l et 2 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 est identique à la figure 1, mais par souci de clarté on y a fait figurer uniquement les valeurs des intensités en KA parcourant chaque conducteur, dans une série fonctionnant sous 280 Ampères.
~L232~ 3 - 8b Dans la description ~ui suit, les conducteurs seront designes par un repere numerique simple (3 a 16) lorsqu'il s'agira de l'ensemble des con-/
_ 9 _ ~ ~3~6~-~
ducteurs de même nature, et par le même repère numérique suivi d'une let-tre lorsqu'il s'agira des diverses branches de chaque conducteur de meme nature.
La structure générale des cuves d'électrolyse pour la production d'alu-minium étant parfaitement connue de l'homme de l'art, les figures 1 et 2 ne comportent que les éléments indispensables a la compréhension de l'invention, c'est-à-dire les conducteurs électriques proprement dits, en vue de dessus.
Chaque cuve comporte un caisson en acier (1), garni en matériau isolant, supportant une cathode formée par une pluralité de blocs carbonés juxta-posés dans lesquels sont scellés des barres cathodiques métalliques (2) reliées à une pluralité de collecteurs cathodiques amonts (3) et avals (4), une pluralité d'anodes en p~te carbonée précuites dans lesquelles sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon (5) mobile en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des moyens de connexion électriques t7, 8) entre les collecteurs cathodi-ques amont (3) et aval (4) d'urie cuve, d'une part, et le croisillon (5) de la cuve suivante dans la série, d'autre part. Selon l'invention, le croisillon (5) de chaque cuve est connecté ~ la cuve précédente en cinq points (6A, 6B, 6C, 6D, 6E) par cinq montées équ~idistantes (7A, 7B, 7C, 7D, /E) disposées sur son côt~ amont ~), le raccordement entre montée (7) et croisillon (5) ~tant fait par un conducteur électrique souple (8A7 ~, 8C, ~D, 8E) : une montée centrale (7C), située dans l'axe de la série, deux montées intermédiaires (7B, 7D) et deux montées latérales (7A, 7E) et parcourues par des intensités sensiblement égales et reliées à six collecteurs cathodiques amont : deux centraux (3A, 3B), deux intermédi-aires (3C, 3D) et deux latéraux (3F, 3E) et à trois collecteurs catho-diques aval, un central (4A) et deux latéraux (4B, 4C).
- la montée centrale (7C) de chaque cuve est reliée au collecteur catho-dique central aval (4A) de la cuve précédente.
- chaque montée intermédiaire (7B, 7D) est dédoublée. Une partie est - lo - ~3Z8~i~
connectée au collecteur cathodique aval latéral de la cuve précédente t4C, 4C). L'autre partie est connectée aux collecteurs cathodiques amont (3A, 3B).
- chaque montée latérale (7A, 7E) est connectée aux collecteurs catho-diques amonts (3C, 3E, et 3D, ~F) par les conducteurs latéraux (16A et 16B).
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts (3) et les montées inter~nédiaires et latérales (7A, 7B, 7D, 7E) se Fait par cinq conducteurs de liaison disposés comme suit :
.
.deux conducteurs de liaison (16A, 16B) contournant les têtes de la cuve et transportant chacun 35 ~0 du courant amont t .deux conducteurs de liaison (9A, 9B) passant symétriquement sous la cuve sensiblement 3 l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de la tête de la cuve. Le conducteur (9B) situé le plus près de la file voisine la plus proche transporte 15 O du courant amont tandis que l'autre (9A) ne transporte que 10 O du courant amont.
.un conducteur de liaison intermbdiaire (9C) passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté opposé à ]a file voisine la plus proche. Le cnn-ducteur transporte 5 O du courant amont.
.les deux conducteurs de liaison (9B, 16B) situés du c8té de la filevoisine la plus proche ont une équipotentielle (10) au bas de la rnon-tée latérale de la cuve suivante. Le courant est ensuite redistribué
entre la montée latérale (7E) et la montée intermédiaire adjacente (7D) de facon ~ respecter sensiblement l'égalité des intensités entre mon-tées.
.les trois conducteurs de liaison (16A, 9A, 9C) situés du c8t~ opposé
à la file voisine la ~us proche ont deux équipotentielles (llA, llB) situées au bas de la montée latérale de la cw e suivante et entre cette montée (7A) et la montée intermédiaire adjacente (7B). Le courant est ensuite redistribue entre les 2 montées de façon à respecter l'égalité
des intensités entre rnontées.
L232~ '3 .les collecteurs cathodiques avals (4A, 4B, 4C) sont reliés les uns aux autres par des équipotentielles (12A, 12B), constituées de conducteurs électriques souples formées de "clinquants" c'est-à-dire d'un empi-lage de plaques minces en aluminium, soudées aux deux extrémités.
.les collecteurs cathodiques amont centraux (3A, 3B) sont connect~s entre eux par une équipotentielle (13) de meme type.
.chaque mantée alimente le croisillon mobile en un point autour duquel sont disposées 7 da façon symétrique, 8 anodes.
Enfin, pour éviter les infiltrations d'électrolyte dans l'espace sous-cathodique, chaque cuve peut etre munie, entre les blocs cathodiques et le garnissage réfractaire et isolant du caisson, d'une couche de protec-tion aux imprégnations de produits fluorés et sodiques, constitué d'un matériau choisi parmi un au moins des produits suivants : les produits silico-alumineux, le grès, la lave de Volvic (lave volcanique chimique-ment très résistante), le carbure de silicium, l'alumine électrofondue, l'acier, la silice.
~es principes de constructions ont été mis en oeuvre dans une série ex-périmentale fonctionnant à une intensité de 28û 000 Ampères sous 3,95 à
4 Volts.
Outre la stabilité remarquable de la cuve, qui se manifeste par l'absence de tout mouvement oscillatoire de la nappe d'aluminium liquide, on a noté
des valeurs particuli~rement réduites de la composante verticale Bz du champ magnétique. Les valeurs maximales sont localisées sur les têtes des cuves et restent inférieures b 1,5.10 3 Tesla (15 Gauss); sur 80 O de la surface cathodique, le champ est inférieur à 5.10 4 Teslas (S Ga`uss).
La ccnsommatian ~nergétique, sur une période de 3 mois, a été de 12.530 Kwh/T.
AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION
Par rapport à l'art antérieur et tout particulibrement par rapport au 30 sch~ma de conducteurs faisant l'objet de notre brevet FR A-250 5368, les ' a~/antagas procures par la pr saents ~ven ti-n ~ont l ~s sui\' sn ~s - 12 - ~ ~3~69 1. La motorisation individuelle des anodes (par groupe de 2) a été sup-primée -d'où diminution sensible du coût- sans pour autant retrouver les inconvénients provoqués par les déséquilibres de courant entre anodes voisines.
2. On a sensiblement réduit la composante verticale B~ du champ magné-tique, qui est inférieure ~ 1,5.1û 3 T (15 Gauss) en tous points de la cuve.
Les cuves d'électrolyse construites aujourd'hui fonctionnent génëralement à des intensités entre 150 OOO et ~40 000 ampères. L'homme de l'art sait que l'augmentation de l'intensité nominale conduit à la fois à un gain potentiel sur l'investissement et sur les coûts de fabrication. Ceci est d~ b l'augmentation de production journalière de la cuve, qui est pratique-ment proportionnelle à l'intensité nominale, et qui réduit, pour une pro-duction totale constante, le nombre de séries d'électrolyse à installer, les consommations énergétiques de l'outil de travail et en améliore la productivité.
La première limite à l'augmentation de taille des cuves d'électrolyse est donnée par la difficulté technique à augmenter l'intensité qui traverse une cuve, sans en affecter les rendements.
Le passage du ccurant électrique dans les conducteurs d'alimentation et ~9 dans les parties conductrices de la cuve produit des champs magnétiques qui provoquent des mouvements dans le métal liquide et une dé~ormation de l'interface métal-bain d'électrolyse. Ces mouvements du métal qui agitent le bain électrolytique placé sous les anodes peuvent, lorsqu'ils sont trop importants, court-circuiter cette lame de bain par un contact du métal liquide avec les anodes.
Le rendement de l'électrolyse se dégrade fortement et les consommations énergétiques augmentent. Cas problèmes sont amplifiés avec l'augmentation de l'ampèrage des cuves, car les champs magnétiques sont alors beaucoup plus intenses, et la sensibilité de l'interface bain-métal aux effets ma-gnétiques, plus importants.
Une des perturbations les plus difficiles à maitriser est l'autoinstabi-lité de la nappe de métal liquide. Il s'agit d'un phénomène auto-entretenu se traduisant par une position variable dans le temps de l'interface entre le bain et l'aluminium liquide. La distance entre le bas des anodes et la surface supérieure de la nappe d'aluminium liquide est variable et la ré-sistance électrique du bain varie avec le temps, sous chaque anode.
Les ensembles formés par chaque anode et le volume de bain qui leur est associé étant montés électriquement en parallèle entre les équipotentiel-les constatuées, d'une part, par le croisillon et, d'autre part, par le métal liquide 9 les intensités traversant chaque anode varient aussi dans le temps.
Cela induit des variations d'intensité dans chacun des conducteurs ame-nant le courant de la cuve précédente, la répartition des surplus ou des manques de courant constatés sur l'anode concernée se faisant selon les lois de répartition électriques connues de l'homme de l'art. Ces varia-tions d'intensité induites, d'une part modifient les cartes de champsmagnetiques de la cuve concernée, et d'autre part imposent des courants horizontaux forcés de rattrapage dans le métal de la cuve précédente qui se trouve déséquilibrée. La présence ou l'absence d'équipotentielle, leur nombre et leur localisation permettent de modifier ces perturbations électriques. I1 devient alors possible de les placer de telle sorte que la cuve amont soit électriquement quasiinsensible aux perturbations de la cuve concernée, et que les variations des champs magnétiques induites par la répercussion des modifications de répartition anodiques sur les répartitions entre les montées aient un r81e favorable dans l'amortisse-ment de la perturbation.
Le passage du courant ~lectrique dans les conduc~eurs d'alimentatian etdans le bain d'électrolyse produit un champ magnétique dans la couche de bain liquide et la couche d'aluminium liquide. La présence dans bain et metal de courant électrique, caractérisé en tout point par un vecteur densité de cou~ant J, se traduit par l'existence dans le bain et le metal de forces de volumes électromagnétiques. Ces forces de volumes, appelées forces de Laplace, sont exprimées vectoriellement par la formule :
= J->~ 8 ~
~ étant le vecteur du champ magnétique au point de calcul.
Une variation de la position de la surface bain métal modifie les valeurs de J >dans la lame et dans la ~one du métal liquide sous-jacente.
. , _ 4 - ~32~ 3 Les forces de Laplace varient donc et peuvent amortir ou amplifier ces dé-formations de l'interface. S'il y a amplification, une instabilité apparait, entretenue par des rotations, généralisées ou localisées, du métal li-quide. Suivant le cas, la période des instabilités peut être longue (}O
b 60 secondes) ou courte ~inférieure à S secondes).
La période de l'instabilité est longue ldrsque le mouvement du métal in-téresse toute la surface cathodique ou, parfuis, s'organise en deux rota-ti~ns symétriques affectant chacune des deux demi-cuves situées de part et d'autre de l'axe transuersal de la cuve.
Ceci se produit, en particulier, si les composantes verticales des champs magnétiques restent de même signe sur chaque demi-cuve. Ces mouvements peu~ent être minimisés en annulant la valeur intégrée du champ magnétique vertical sur toute la demi-cuve considérée. Pour des instabilités de type '!rapide", les mouvements de métal sont localisés sous certaines anodes.
Ils sont généralement déclenchés par une irrégularité de répartition de courant dans l'ensemble anodique à la suite d'interventions sur les cuves:
changement d'une anode usée par une anode neuve, anode positionnée trop près du métal liquide, coulée des cuves, polarisation partielle du système anodique par manque d'alurnine dans le bain.
On peut dire qu'en premiare approximation, les lignes de courant dcns le bain sont verticales. En effet, du fait des très grandes différences de r~sistivité du bain et du métal, si elles doivent aboutir en des points de la cathode non situés à la verticale de leur départ de l'anode, les lignes de courant s'inflechissent dans l'aluminium liquide.
Dans le cas d'une anode conduisant plus de courant que la moyenne des ano-des, le courant aura alors tendance à s'épanouir dans le métal liquide.
Les lignes de courant sont ici centri~uges. Dans le cas d'une anode con-duisant moins de courant que la moyenne des anodes, les lignes de cou-rant seront centr~pètes. ~ans ces deux cas, la densite de courant varie-ra dans l'épaisseur de la nappe de métal.
L'effet dynamique des forces de Laplace peut être exprimé dans le m~tal par l'existence d'un rotationnel non nul dans la zone considérée.
_ 5 _ ~.~3~6¢3 Symboliquement, celui-ci peut être écrit :
Rot ~ = ( ~ ~ (J
où~ est le vecteur de composantes :
La composante verticale Rz de ce vecteur rotationnel correspond à l'effet moteur de r~ation de la nappe de métal dans le plan horizontal. On peut la développer en :
Rz = ex dd~Z + By dJZ + Bz ddzZ - Jx ddBZ _ Jy ddBz _ Jz ddBz Dans l'axe des courants centrifuges ou centripèdes, on a :
dx dy Lorsque les valeurs de Bz sont faibles sur tout le ~olume du métal liqui-de, on a :
dBz dBz Faibles Donc Rz peut être arrondi ~ :
Bz dz ~ JZ dz qui varie lorsque Jz évolue dans le temps comme (BHz _ ddBz) ~ Jz d~Bz étant généralement faible devant H lorsque Bz est non nul, le terme HZ ~ JZ est représentatif de la sensibilité de la surface du métal aux var.iations d'intensités anodiques, H étant la hauteur de la couche d'alu-minium Fondu et ~ Jz la variation de Jz inductrice des mouvements demétal.
...
- 6 - ~ ~3~8~
L'homme de l'art cherche alors b ayir sur ces 3 éléments pour stabiliser la marche des cuves d'électrolyse.
- il augmente la hauteur de métal, mais ceci conduit à immobiliser une quantité d'aluminium plus importante dans chaque cuve. Cela rend d'autre part assez diFficile la remontée dans le bain d'électrolyse d'alumine non dissoute qui se serait déposée sur la cathode et augmente ainsi le risque "d'emplâtrage".
- il place ses conducteurs d'amenée du courant dans des positions telles que le champ vertical en tout point du creuset soit faible.
- il réduit les variations d'intensités dans les anodes en affinant les--méthodes d'exploitation, en surveillant automatiquement ou rrlanuellement les intensités anode par anode, en réglant la position des ar~odes à inten-sité trop faible ou trop forte par rapport aux valeurs nominales.
Pour l~s cuves d'intensité supérieure ~ 250 000 Ampères, cela conduit àmultiplie~ le nombre de montées, et à motoriser les anodes individuelle;
ment ou par groupe de deux. Faute de cela, les rend~3ments se dégradent, et les gains escomptés par augmentation de taille son~ effacés par les mauvais prix de revient de l'aluminium produit.
Mais, le coût d'une cuve est fortement augmenté car la motorisation indi-viduelle d'anodes représente un investissement très lourd par rapport à
celui des superstructures à motorisation globale, solution technique ha-bituellement retenue jusqu'à 200 à 250 000 Arnpères.
La courbe des investissements en fonction de l'intensité cle marche pré-sente alors une rupture à ce niveau, rendant économiquernent peu intéres-sant le passage de 200 000 à ~ûO oon Ampères.
La conception des cuves sans motorisation individuelle au-delà de 250 000 à 27û 000 Ampères implique le choix de positions originales des conducteurs garantissant des champs magnétiques verticaux partout inFérieurs a 1,5.
10 3 Teslas (15 Gauss), rnalgré les effets aclclitionnels apportés par les _ 7 _ ~3~
autres files de cuves et les autres séries~ Elles passent en outre par un amortissement maximal des variations cycliques d'intensités pouvant apparaître dans une anode et doit éviter la propagation de cette per-turbation au reste de la cuve ou à la cuve amont.
EXPOSE DE L'ART ANTERIEUR
On a décrit, antérieurement, des cuves d'électrolyse capables de fonction-ner sous des intensités élevees et dans lesquelles les perturbations ma-gnétiques étaient aussi réduites que possible.
Dans le brevet US 3 415 724 (ALCOA), l'équilibrage magnétique est obtenu 10 en disp~sant les conducteurs de liaison à l'extérieur du plan vertical passant par les petits côtés de la cuve et en dérivant une partie du cou-rant (moins de la moitié) dans deux barres passant sous la partie centra-le du caisson.
Dans les brevets fran~ais 2 324 761 et 2 427 760 d'ALUMINIUM PECHINEY, 15 (auxquels correspondent respect`ivement les brevets US. nD 4 049 528 et 4 200 760), on a décrit des cuves d'électrolyse fonctionnant sous 175 000 à 18n 000 Ampères avec des performances exceptionnelles en stabilité et rendement énergétique. Les composantes verticales~ du champ magnétique ont une ~ leur nulle ~our chaque demi-cu~/e, car elles sont égales et de signe opposé sur le quart amont et le quart aval. Mais, si ce~ dispositifs c~n-viennent bien pour des intensités inférieures à 200 000 Ampères~ leur ex-20 tension sans autre précaution à des cuves d'intensité supérieure à 200 000 Ampères peut faire de nouveau apparaitre les phénombnes évoqués d'insta-bilité de la surface du métal liquide et obliger à augmenter la distance anode-métal en perdant en densité anodique, c'est-à-dire en production et en énergie consommée, ce qui efface les gains escomptés.
25 Dans le brevet FR-A-2 469 475 (PECHINEY), on a proposé d'extraire le cou-rant cathodique par des sorties verticales traversant le fond du caisson une partie au moins des conducteurs de liaison étant disposés sous le fond du caisson.
Dans le brevet FR-A-2 416 276, une partie du courant est conduit à la cuve 30 suivante dans la série par des conducteurs disposés à l'extérieur du plan - B - ~ ~3~
vertical passallt par les petits côtés de la cuve. Deux conducteurs de liaison passent sous la cuve et forment, avec l'axe de la cuve, un anyle qui n'est pas précisé mais parait de l'ordre de 20 (fig. 2 du brevet).
En ce qui concerne la motorisa-tion individuelle des anodes, ou groupes d'anodes, on peut citer le brevet US ~ 210 513 (~LCO~) qui prevoit un arbre de commande pour chaque ligne d'anodes e-t une pluralite d'embrayages tele-commandes, qui déclenchent, a volonte, la montee ou la descente de chaque anode ou groupe d'anodes.
Dans le brevet canadien 1,178,921 délivré la 4 décembre 1984 au nom de ALUMINIUM PECHINEY, il es~ décrit un systere de réglage précis du p ~ anodi~ue par motorisation individuelle de chaque groupe de 2 anodes, dans une cuve comportant, au total, 40 anodes en deux lignes indépendantes de 20 anodes. Comme on l'a expliqué
plus haut, cette solution qui est -techniquement -tres satis-faisante, implique un investissement supplementaire rela-ti-vement lourd, mais procure un equilibre permanent et précis du courant traversant chaque groupe d'anodes.
EXPOSE DE L ' INVENTION
Selon la presente invention, il est prévu un dispositif destiné à la production d'aluminium par électro-lyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fondue selon le procédé Hall-Héroult, sous une intensité comprise entre 270 000 amperes et 320 000 amperes, avec une consommation énergétique inférieure a 12 600 kWh par tonne d'aluminium produit, ce disposi-tif comportant une pluralité de cuves rectangulaires, alignées, dont les petits côtes sont appelés têtes, disposées en travers par rapport a leur a~e d'ali-gnemen-t et connectées électriquement en serie en une seule file, ou en plusieurs files paralleles, chaque cuve compor-tant un caisson en acier, garni en materiau isolant, suppor--tan-t une ca-thode formee par une plurali-té de blocs carbonés - 8a - ~ ~32~69 juxtaposes dans lesquels sont scellees des barres cathodi-ques metalliques reliees à une pluralike de collecteurs cathodiques amont et aval, une pluralite d'anodes en pâte carbonee précuites dans lesquelles sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon mobile en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des moyens de connexion électriques entre les collecteurs cathodiques amont et aval d'une cuve, d'une part et le croisillon de la cuve suivante dans la série, d'autre part, dispositif dans lequel le croisillon de chaque cuve est connecté à la cuve précédente en cinq points, par cinq montees equidistantes, disposees sur son cote amont, carac-térisé en ce que:
- le raccordement entre chaque montee et le croi-sillon est effectué par des conducteurs électriques souples, - la montée centrale située dans l'axe de série, les deux séries intermediaires et les deux montees laterales, parcourues par des intensités sensiblement égales, sont reliees a six collecteurs cathodiques amont, deux centraux, deux intermediaires et deux lateraux et trois collecteurs cathodiques aval, un central et deux lateraux, - les collecteurs cathodiques avals sont relies entre eux par des liaisons équipotentielles constituées de conducteurs souples, - les collecteurs cathodiques amont centraux sont également reliés entre eux par une liaison équipotentielle constituee par des conducteurs souples.
Des modes de realisation preférentiels vont être maintenant décrits à titre d'exemples non limitatifs, en se 3Q référant aux dessins attachés, dans lesquels:
Les figures l et 2 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. La figure 2 est identique à la figure 1, mais par souci de clarté on y a fait figurer uniquement les valeurs des intensités en KA parcourant chaque conducteur, dans une série fonctionnant sous 280 Ampères.
~L232~ 3 - 8b Dans la description ~ui suit, les conducteurs seront designes par un repere numerique simple (3 a 16) lorsqu'il s'agira de l'ensemble des con-/
_ 9 _ ~ ~3~6~-~
ducteurs de même nature, et par le même repère numérique suivi d'une let-tre lorsqu'il s'agira des diverses branches de chaque conducteur de meme nature.
La structure générale des cuves d'électrolyse pour la production d'alu-minium étant parfaitement connue de l'homme de l'art, les figures 1 et 2 ne comportent que les éléments indispensables a la compréhension de l'invention, c'est-à-dire les conducteurs électriques proprement dits, en vue de dessus.
Chaque cuve comporte un caisson en acier (1), garni en matériau isolant, supportant une cathode formée par une pluralité de blocs carbonés juxta-posés dans lesquels sont scellés des barres cathodiques métalliques (2) reliées à une pluralité de collecteurs cathodiques amonts (3) et avals (4), une pluralité d'anodes en p~te carbonée précuites dans lesquelles sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon (5) mobile en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des moyens de connexion électriques t7, 8) entre les collecteurs cathodi-ques amont (3) et aval (4) d'urie cuve, d'une part, et le croisillon (5) de la cuve suivante dans la série, d'autre part. Selon l'invention, le croisillon (5) de chaque cuve est connecté ~ la cuve précédente en cinq points (6A, 6B, 6C, 6D, 6E) par cinq montées équ~idistantes (7A, 7B, 7C, 7D, /E) disposées sur son côt~ amont ~), le raccordement entre montée (7) et croisillon (5) ~tant fait par un conducteur électrique souple (8A7 ~, 8C, ~D, 8E) : une montée centrale (7C), située dans l'axe de la série, deux montées intermédiaires (7B, 7D) et deux montées latérales (7A, 7E) et parcourues par des intensités sensiblement égales et reliées à six collecteurs cathodiques amont : deux centraux (3A, 3B), deux intermédi-aires (3C, 3D) et deux latéraux (3F, 3E) et à trois collecteurs catho-diques aval, un central (4A) et deux latéraux (4B, 4C).
- la montée centrale (7C) de chaque cuve est reliée au collecteur catho-dique central aval (4A) de la cuve précédente.
- chaque montée intermédiaire (7B, 7D) est dédoublée. Une partie est - lo - ~3Z8~i~
connectée au collecteur cathodique aval latéral de la cuve précédente t4C, 4C). L'autre partie est connectée aux collecteurs cathodiques amont (3A, 3B).
- chaque montée latérale (7A, 7E) est connectée aux collecteurs catho-diques amonts (3C, 3E, et 3D, ~F) par les conducteurs latéraux (16A et 16B).
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts (3) et les montées inter~nédiaires et latérales (7A, 7B, 7D, 7E) se Fait par cinq conducteurs de liaison disposés comme suit :
.
.deux conducteurs de liaison (16A, 16B) contournant les têtes de la cuve et transportant chacun 35 ~0 du courant amont t .deux conducteurs de liaison (9A, 9B) passant symétriquement sous la cuve sensiblement 3 l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de la tête de la cuve. Le conducteur (9B) situé le plus près de la file voisine la plus proche transporte 15 O du courant amont tandis que l'autre (9A) ne transporte que 10 O du courant amont.
.un conducteur de liaison intermbdiaire (9C) passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté opposé à ]a file voisine la plus proche. Le cnn-ducteur transporte 5 O du courant amont.
.les deux conducteurs de liaison (9B, 16B) situés du c8té de la filevoisine la plus proche ont une équipotentielle (10) au bas de la rnon-tée latérale de la cuve suivante. Le courant est ensuite redistribué
entre la montée latérale (7E) et la montée intermédiaire adjacente (7D) de facon ~ respecter sensiblement l'égalité des intensités entre mon-tées.
.les trois conducteurs de liaison (16A, 9A, 9C) situés du c8t~ opposé
à la file voisine la ~us proche ont deux équipotentielles (llA, llB) situées au bas de la montée latérale de la cw e suivante et entre cette montée (7A) et la montée intermédiaire adjacente (7B). Le courant est ensuite redistribue entre les 2 montées de façon à respecter l'égalité
des intensités entre rnontées.
L232~ '3 .les collecteurs cathodiques avals (4A, 4B, 4C) sont reliés les uns aux autres par des équipotentielles (12A, 12B), constituées de conducteurs électriques souples formées de "clinquants" c'est-à-dire d'un empi-lage de plaques minces en aluminium, soudées aux deux extrémités.
.les collecteurs cathodiques amont centraux (3A, 3B) sont connect~s entre eux par une équipotentielle (13) de meme type.
.chaque mantée alimente le croisillon mobile en un point autour duquel sont disposées 7 da façon symétrique, 8 anodes.
Enfin, pour éviter les infiltrations d'électrolyte dans l'espace sous-cathodique, chaque cuve peut etre munie, entre les blocs cathodiques et le garnissage réfractaire et isolant du caisson, d'une couche de protec-tion aux imprégnations de produits fluorés et sodiques, constitué d'un matériau choisi parmi un au moins des produits suivants : les produits silico-alumineux, le grès, la lave de Volvic (lave volcanique chimique-ment très résistante), le carbure de silicium, l'alumine électrofondue, l'acier, la silice.
~es principes de constructions ont été mis en oeuvre dans une série ex-périmentale fonctionnant à une intensité de 28û 000 Ampères sous 3,95 à
4 Volts.
Outre la stabilité remarquable de la cuve, qui se manifeste par l'absence de tout mouvement oscillatoire de la nappe d'aluminium liquide, on a noté
des valeurs particuli~rement réduites de la composante verticale Bz du champ magnétique. Les valeurs maximales sont localisées sur les têtes des cuves et restent inférieures b 1,5.10 3 Tesla (15 Gauss); sur 80 O de la surface cathodique, le champ est inférieur à 5.10 4 Teslas (S Ga`uss).
La ccnsommatian ~nergétique, sur une période de 3 mois, a été de 12.530 Kwh/T.
AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION
Par rapport à l'art antérieur et tout particulibrement par rapport au 30 sch~ma de conducteurs faisant l'objet de notre brevet FR A-250 5368, les ' a~/antagas procures par la pr saents ~ven ti-n ~ont l ~s sui\' sn ~s - 12 - ~ ~3~69 1. La motorisation individuelle des anodes (par groupe de 2) a été sup-primée -d'où diminution sensible du coût- sans pour autant retrouver les inconvénients provoqués par les déséquilibres de courant entre anodes voisines.
2. On a sensiblement réduit la composante verticale B~ du champ magné-tique, qui est inférieure ~ 1,5.1û 3 T (15 Gauss) en tous points de la cuve.
3. La mise en place de liaisons équipotentielles (12A, .12B, et 13) entre les collecteurs cathodiques, permet en outre :
a- d'assurer les équilibrages de courant entre les différentes sec-tions des collecteurs et d'étaler sur l'ensemble du circuit -donc de rendre à peu près insensible- les fluctuations de courant dans une anode.
b- d'éviter, de ce fait, la r~percussion sur la cuve amont, d'une perturbation apparue dans une cuve donnée.
c- de réduire le nombre de cales de court-circuit que l'on doit met tre en place pour shunter une cuve endommagée que l'on se propose d'arrêter pour réparation ou échange.
Grace à la conjonction de ces avantages, on peut maintenant construire 2~ et exploiter des cuves d'électrolyse sensiblement moins onéreuses que celles de l'art antérieur, à puissance égale, dans la gamme de 270 ûOO
à 320 ono ampères, avec des résultats techniques (durée de vie, conscmma-tions énergétiques) comparables et une stabilité tras élevée.
a- d'assurer les équilibrages de courant entre les différentes sec-tions des collecteurs et d'étaler sur l'ensemble du circuit -donc de rendre à peu près insensible- les fluctuations de courant dans une anode.
b- d'éviter, de ce fait, la r~percussion sur la cuve amont, d'une perturbation apparue dans une cuve donnée.
c- de réduire le nombre de cales de court-circuit que l'on doit met tre en place pour shunter une cuve endommagée que l'on se propose d'arrêter pour réparation ou échange.
Grace à la conjonction de ces avantages, on peut maintenant construire 2~ et exploiter des cuves d'électrolyse sensiblement moins onéreuses que celles de l'art antérieur, à puissance égale, dans la gamme de 270 ûOO
à 320 ono ampères, avec des résultats techniques (durée de vie, conscmma-tions énergétiques) comparables et une stabilité tras élevée.
Claims (6)
1. Dispositif destiné à la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans de la cryolithe fon-due selon le procédé Hall-Héroult, sous une intensité com-prise entre 270 000 ampères et 320 000 ampères, avec une consommation énergétique inférieure à 12 600 kWh par tonne d'aluminium produit, ce dispositif comportant une pluralité
de cuves rectangulaires, alignées, dont les petits côtés sont appelés ?têtes?, disposées en travers par rapport à
leur axe d'alignement et connectées électriquement en série en une seule file, ou en plusieurs files parallèles, chaque cuve comportant un caisson en acier, garni en matériau iso-lant, supportant une cathode formée par une pluralité de blocs carbonés juxtaposés dans lesquels sont scellées des barres cathodiques métalliques reliées à une pluralité de collecteurs cathodiques amont et aval, une pluralité d'anodes en pâte carbonée précuites dans lesquelles sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon mobile en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des moyens de connexion électriques entre les collecteurs cathodiques amont et aval d'une cuve, d'une part et le croi-sillon de la cuve suivante dans la série, d'autre part, dispositif dans lequel le croisillon de chaque cuve est connecté à la cuve précédente en cinq points, par cinq équidistantes, disposées sur son côté amont, caractérisé en ce que:
- le raccordement entre chaque montée et le croi-sillon est effectué par des conducteurs électriques souples, - la montée centrale située dans l'axe de série, les deux séries intermédiaires et les deux montées latérales, parcourues par des intensités sensiblement égales, sont reliées à six collecteurs cathodiques amont, deux centraux, deux intermédiaires et deux latéraux et trois collecteurs cathodiques aval, un central et deux latéraux, - les collecteurs cathodiques avals sont reliés entre eux par des liaisons équipotentielles constituées de conducteurs souples, - les collecteurs cathodiques amont centraux sont également reliés entre eux par une liaison équipotentielle constituée par des conducteurs souples.
de cuves rectangulaires, alignées, dont les petits côtés sont appelés ?têtes?, disposées en travers par rapport à
leur axe d'alignement et connectées électriquement en série en une seule file, ou en plusieurs files parallèles, chaque cuve comportant un caisson en acier, garni en matériau iso-lant, supportant une cathode formée par une pluralité de blocs carbonés juxtaposés dans lesquels sont scellées des barres cathodiques métalliques reliées à une pluralité de collecteurs cathodiques amont et aval, une pluralité d'anodes en pâte carbonée précuites dans lesquelles sont scellées les tiges d'anodes métalliques, un croisillon mobile en montée et en descente sur lequel sont fixées les tiges d'anodes, et des moyens de connexion électriques entre les collecteurs cathodiques amont et aval d'une cuve, d'une part et le croi-sillon de la cuve suivante dans la série, d'autre part, dispositif dans lequel le croisillon de chaque cuve est connecté à la cuve précédente en cinq points, par cinq équidistantes, disposées sur son côté amont, caractérisé en ce que:
- le raccordement entre chaque montée et le croi-sillon est effectué par des conducteurs électriques souples, - la montée centrale située dans l'axe de série, les deux séries intermédiaires et les deux montées latérales, parcourues par des intensités sensiblement égales, sont reliées à six collecteurs cathodiques amont, deux centraux, deux intermédiaires et deux latéraux et trois collecteurs cathodiques aval, un central et deux latéraux, - les collecteurs cathodiques avals sont reliés entre eux par des liaisons équipotentielles constituées de conducteurs souples, - les collecteurs cathodiques amont centraux sont également reliés entre eux par une liaison équipotentielle constituée par des conducteurs souples.
2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que:
- la montée centrale de chaque cuve est reliée au collecteur cathodique central aval de la cuve précédente, - chaque montée intermédiaire est dédoublée, une partie étant connectée au collecteur cathodique aval latéral de la cuve précédente, l'autre partie étant connectée aux collecteurs cathodiques amonts, - chaque montée latérale est connectée aux collec-teurs cathodiques amonts par les conducteurs latéraux.
- la montée centrale de chaque cuve est reliée au collecteur cathodique central aval de la cuve précédente, - chaque montée intermédiaire est dédoublée, une partie étant connectée au collecteur cathodique aval latéral de la cuve précédente, l'autre partie étant connectée aux collecteurs cathodiques amonts, - chaque montée latérale est connectée aux collec-teurs cathodiques amonts par les conducteurs latéraux.
3. Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que:
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts et les montées intermédiaires et latérales, est réalisée par cinq conducteurs de liaison disposés comme suit:
. deux conducteurs de liaison contournant les têtes de la cuve et transportant chacun 35 % du courant amont, . deux conducteurs de liaison passant symétrique-ment sous la cuve sensiblement à l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de la tête de la cuve, le conducteur situé
le plus près de la file voisine la plus proche transportant 15 % du courant amont tandis que l'autre ne transportant que 10 % du courant amont, . un conducteur de liaison intermédiaire passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté
opposé à la file voisine la plus proche, ce conducteur transportant 5 % du courant amont, . les deux conducteurs de liaison situés du côté de la file voisine la plus proche ont une équipoten-tielle au bas de la montée latérale de la cuve suivante, le courant étant ensuite redistribué entre la montée latérale et la montée intermédiaire adjacente de façon à respecter sensiblement l'égalité des intensités entre montées, . les trois conducteurs de liaison situés du côté opposé à la file voisine la plus proche ont deux équi-potentielles situées au bas de la montée latérale de la cuve suivante et entre cette montée et la montée intermédiaire adjacente, le courant étant ensuite redistribué entre les deux montées de façon à respecter l'égalité des intensités entre montées.
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts et les montées intermédiaires et latérales, est réalisée par cinq conducteurs de liaison disposés comme suit:
. deux conducteurs de liaison contournant les têtes de la cuve et transportant chacun 35 % du courant amont, . deux conducteurs de liaison passant symétrique-ment sous la cuve sensiblement à l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de la tête de la cuve, le conducteur situé
le plus près de la file voisine la plus proche transportant 15 % du courant amont tandis que l'autre ne transportant que 10 % du courant amont, . un conducteur de liaison intermédiaire passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté
opposé à la file voisine la plus proche, ce conducteur transportant 5 % du courant amont, . les deux conducteurs de liaison situés du côté de la file voisine la plus proche ont une équipoten-tielle au bas de la montée latérale de la cuve suivante, le courant étant ensuite redistribué entre la montée latérale et la montée intermédiaire adjacente de façon à respecter sensiblement l'égalité des intensités entre montées, . les trois conducteurs de liaison situés du côté opposé à la file voisine la plus proche ont deux équi-potentielles situées au bas de la montée latérale de la cuve suivante et entre cette montée et la montée intermédiaire adjacente, le courant étant ensuite redistribué entre les deux montées de façon à respecter l'égalité des intensités entre montées.
4. Dispositif selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque montée alimente le croisillon mobile en un point autour duquel sont disposées, de façon symétrique, par rapport au plan vertical passant par la montée, huit anodes.
5. Dispositif selon la revendication 2, caracté-risé en ce que:
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts et les montées intermédiaires et laté-rales, est réalisée par cinq conducteurs de liaison disposés comme suit:
. deux conducteurs de liaison contournant les têtes de la cuve et transportant chacun 35 % du courant amont, . deux conducteurs de liaison passant symétrique-ment sous la cuve sensiblement à l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de la tête de la cuve, le conducteur situé le plus près de la file voisine la plus proche trans-portant 15 % du courant amont tandis que l'autre ne trans-portant que 10 % du courant amont, . un conducteur de liaison intermédiaire passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté opposé à la file voisine la plus proche, ce conducteur transportant 5 %
du courant amont, . les deux conducteurs de liaison situés du côté
de la file voisine la plus proche ont une équipotentielle au bas de la montée latérale de la cuve suivante, le courant étant ensuite redistribué entre la montée latérale et la montée intermédiaire adjacente de façon à respecter sensi-blement l'égalité des intensités entre montées, . les trois conducteurs de liaison situés du côte opposé à la file voisine la plus proche ont deux équi-potentielles situées au bas de la montée latérale de la cuve suivante et entre cette montée et la montée intermédiaire adjacente, le courant étant ensuite redistribué entre les deux montées de façon à respecter l'égalité des intensités entre montées.
- la liaison électrique entre les collecteurs cathodiques amonts et les montées intermédiaires et laté-rales, est réalisée par cinq conducteurs de liaison disposés comme suit:
. deux conducteurs de liaison contournant les têtes de la cuve et transportant chacun 35 % du courant amont, . deux conducteurs de liaison passant symétrique-ment sous la cuve sensiblement à l'aplomb du bloc cathodique situé le plus près de la tête de la cuve, le conducteur situé le plus près de la file voisine la plus proche trans-portant 15 % du courant amont tandis que l'autre ne trans-portant que 10 % du courant amont, . un conducteur de liaison intermédiaire passant sous la cuve et disposé sensiblement à mi-distance entre l'axe de la série et la tête de la cuve, du côté opposé à la file voisine la plus proche, ce conducteur transportant 5 %
du courant amont, . les deux conducteurs de liaison situés du côté
de la file voisine la plus proche ont une équipotentielle au bas de la montée latérale de la cuve suivante, le courant étant ensuite redistribué entre la montée latérale et la montée intermédiaire adjacente de façon à respecter sensi-blement l'égalité des intensités entre montées, . les trois conducteurs de liaison situés du côte opposé à la file voisine la plus proche ont deux équi-potentielles situées au bas de la montée latérale de la cuve suivante et entre cette montée et la montée intermédiaire adjacente, le courant étant ensuite redistribué entre les deux montées de façon à respecter l'égalité des intensités entre montées.
6. Dispositif selon la revendication 5, caracté-risé en ce que chaque montée alimente le croisillon mobile en un point autour duquel sont disposées, de façon symétri-que, par rapport au plan vertical passant par la montée, huit anodes.
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