CA1251417A

CA1251417A - Procede de regulation precise d'une faible teneur en alumine dans une cuve d'electrolyse ignee pour la production d'aluminium

Info

Publication number: CA1251417A
Application number: CA000508520A
Authority: CA
Inventors: Michel Leroy
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1985-05-07
Filing date: 1986-05-06
Publication date: 1989-03-21
Also published as: OA08324A; NZ216051A; NO172192B; MY101644A; US4654129A; HUT45102A; ES8800733A1; BR8602039A; JPS61261490A; ZA863380B; DE3664058D1; AU5715786A; FR2581660A1; NO172192C; IN164906B; TR22683A; PL144950B1; IS3095A7; CN86103165A; GR861139B

Abstract

L'invention concerne un procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine comprise entre 1 et 4,5%, dans une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult. Selon l'invention, on détermine un paramètre de régulation P = -1/D.(dRi/dt), exprimé en microohms par seconde et par pour-cent en poids par heure, D étant la dérive de la teneur du bain d'électrolyse en alumine, exprimée en pour-cent en poids par heure, et Ri la résistance interne de la cuve, t le temps et on effectue les opérations suivantes de façon répétitive: a) on alimente la cuve à une cadence nominale CN telle que la demande d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité consommée par l'électrolyse, b) on déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C+ , supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t+ prédéterminée. Pendant cette période, dRi/dt est négative, c) on passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à une cadence C- inférieure à CN. La pente dRi/dt s'annule puis devient positive. On mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter, et d) on compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédéterminée. Dès que P = Po on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).

Description

~:5~7 PROCE~DE3 D~ R~(;ULATION PRECISE3 D'UNB ~AlBL13 T13N13UR ~3N ALUMlNR
DANS UNE CW13 D'ELECTROLY5E IGN~E POUR LA PR~DUCTION
D'AI.UMINIUM

5 OBJ13T DB L'IN~Nl`ION

La présente invention concerne un procédé de régulatioD précise d'une f~ible teneur en alumine dans une cuve d'électrolyse ignée pour la production d'aluminium selon le procédé Hall-Héroult, cette régulation ayant également pour10 but de maintenir le rendement FaradaY à un niveau élevé, au moins é~al ~ 94 96.

13XPQSE D8 L'ART ANTERII~U~

Au cours des dernières années, on 8 progressivement automatisé le 5 fonctionnement des cuves de production d'aluminium, tant pour erl améliorer lebilan énergétique et la régularité de marche, ~ue pour limiter les interventionshumaines et améliorer le rerdement de captage des effluents fluorés.

Un des facteurs essentiels, pour assurer la régularité de marche d'une cuve de 20 productioll d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, est la cadence d'introduction de l'alumine dans le bain. Un défaut d'alumine provoque l'apparition de "I'ef~et anodiquen, ou nembsllagen qui se traduit par une augmentation brutale de la tension au~ bornes de la cuve, yui peut passer de 4 à30 ou 40 volts, et qui se répercute sur i'ensemble de la série.
Un excès d'alumine crée un risque de salissure du fond de la cuve par des dépôtsd'alumine pouvant se transformer en plaques dures isolant électri~uement une partie de la cathode. Ceci induit dans la nappe d'aluminium liquide de forts courants horizontaux locaux qui, par interaction avac les champs ma~nétiques, 30 brassent la nappe d'aluminium liquide et provoquent une instabilité de l'interface bain-métal, et divers autres inconYénients bien connus de l'homme de l'artA

Ce défaut est particulièrement gênant lorsqu'on cherche à abaisser la température de fonctionnement de la cuve -ce qui est très favorable pour sa durée de vie et 35 pour le rendement Faraday- en adoptant des bains dits tr~s "acides" ~à teneurélevée en Al173) et/ou comportant des additifs divers, tels que des chlorures, des sels de lithium ou de magnésium. 15ais, ces bains ont une capacité et une vitesse . . :

~53L~7 de di3solution de l'alumin~ ~en~iblement réduit~s, ~t leur utilisation implique que l'on régule de fa~on très précise la teneur en R]~;mine, à de~ coDcentrations relativement basse~ et entre deu~ limites extrèmes proche~.

5 Bien qu'il soit po~sible de me~urer directement le teneur en alumine de~ bainspar analyse d'échantillons d'électrolyse, on a choi3i, depuis de nombreu~e~ ann~es, de procéder à ~me évaluation ~ndirecte des teneurs en alumine en guivant un paramètre électrique refl~tant la concentratiorl en alumine dudit ~lectrolYte.

o Ce paramètre est généralement la variation de la résistance interne, ou, plus exactement, de la pseudo-résistance interne qui est égale d:

Ri ~- ~ U-Eo ) / J

5 Eo étant une image de la force contre-électromotrice de la cuve dont on admet généralement que la valeur est de 1,65 volts, U la telisiDn ~ux bo~es de la cuveet J l'intensité qui la traverse.

Par étalonna8e, on peut tracer une courbe de variation Ri en fDnction de la 20 teneur en alumine, et par mesure de Ri a une fr~qu~nce déterr,~inée ~elon desméthodes actuellement bien connues, on peut estimer à tout moment la conceDtration, symbolisée par CAI2037 On a cherché, depuis de nombreuses années, à introduire l'alumine dans le bain ~5 avec une certaine régularité de facoD à maintenir sa concent~ation relativement stable autour d'une valeur prédéterc~inée.

Les pr~cédés d'alimentation automatique en alumine, asservis plus ou moins rigoureusement à sa concentration dans le bain, ont été décrits notamment dans 30 les brevets suivants: brevet fransais PR I 457 746 de RE~YNOLDS, dans lequel la variation de résistance interne de la cuve est utilisée comMe paramètre reflétant la concentration en alumine, dont l'introduction dans le bain est effectuée par un distributeur combiné avec un moyen de perçage dans la croûte d`electrol~rse figé; brevet fran~ais FR 1 506 463 de V.A.W. qui est basé sur la 35 mesure du temps qui s'écoule entre l'arrêt de l'alimentation en ~lu~ine et l'apparition de l'effet anodique; brevet américain US 3 400 062 d'ALCOA, qui meten oeu~re une "anode pilote" pour obtenir une d~tection précoce de la tendance . .

~L~5~ 7 à l'emballement et régler la cadence d'introduc-tion de l'alumine, qui est distribuée à partir d'une trémie munie d'un dispositif de perçage de la croûte d'électrolyte figé.

Plus récemment, des procédés de régulation basés sur le contrale de la teneur en alumine ont été décrits en particulier dans le brevet des Etats-Unis US 4 126 525 de MITSUBISHI.

Dans le brevet ci-dessus mention~é,on fixe la teneur en alumine dans la gamme de 2 à 8% et, de préférence, 4 à 6%.
On alimente la cuve pendant un temps tl prédéterminé avec une quantité d'alumine supérieure à sa consommation théorique, jusqu'à l'obtention d'une concentration en alumine prédéterminée (par exemple jusqu'à 7%), puis on commute l'alimenta-tion sur une cadence égale à la consommation théorique pendant un temps t2 prédéterminé, puis on cesse l'alimentation jusqu'à apparition des premiers symptomes d'effet d'anode ("emballage"), et on reprend le cycle d'alimentation en cadence supérieure à la consommation theorique. Dans ce procédé, la concentration en alumine varie, au cours du cycle, de 4,9 à 8% (exemple 1) ou de 4,0 à 7% (exemple 2).

Enfin, dans notre brevet français FR 2 487 386 (Aluminium Péchiney), auquel correspondent les breve-ts EP 44 794 et US
4 431 491, nous avons décrit un procédé de régulation precise de la teneur en alumine, entre 1 et 3,5% en poids, procédé selon lequel on module la cadence d'introduction de l'alumine en fonction des vaxiations de la résistance interne de la cuve pendant des in-tervalles de temps prédéterminés, en alternant des cycles de durée égale d'introduction d'alumine à cadence plus lente et à cadence plus rapide que la cadence correspondant à la consommation de la cuve.

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.

~l;2 S~ 7 . ~

Ce procédé, connu 80US le nom de "calcul de pente~, est ba8é sur dex mesures successives de la résistance interne Ri, h intervalles de temps ~au~, JUr l'évaluation de la pente dRi/dt de vari~tion de R; 0n fonction du temps, et ln comparaison de ~i d'une part et de dRi/dt d'autre part, à des valeurs de 5 consignes, et ~ur la modification de la cadence d'i~troduction de l'alumine, de facon à ramener dRi/dt et Ri au:l~ valeurs de consignell.

La rechercbe du mode opératoire oPtimal, c'e~t~-dire la recherche d~s par&m~tresde marche des cuves d'électrolyse d~nnant le meilleur prix de re~ient, ou la 10 marge bénéficiaire la plus importante pour un investissement donné, a tou~ou~ été un souci permanent pour l'homme de l'srt.

En particulier, la recherche de l'influence des divers paramètres de marche sur le rendement en courant -appelé également rendement Farsdsy- a fait l'oblet de 15 nombreuses publications dont les plus significatives ~ont citées dans l'ouvrage de K. GRJOTHEIM et co-auteurs, intitulé rALU~lINIU~q ~LECTROLYSIS~, dont la deuxième édition, la plus récente, a été publiée en 1982 par Aluminium VERLAG
~DUsseldorf, R.F.A.).

20 Dsns cet ouvrage, page 339, figure 9.11, on constste que tous les auteurs eités s'accordent pour confirmer qu'une élévation de température du bain est néfaste pour le rendement en courant. D'autre part, le diagramme de Phase du ~ystème cryolithe-alumine, représenté page 29j igure 2.3, du me~me ouvrage, montre que la température de liquidus du bain est d'autant plus élevée que la teneur en alumine 25 de ce bain est plus faible.
.

Il serait donc logique que le rendement ~ar~day soit d'autant plux élevé que 1A
teneur en alumine du bain est plus gr~nde. C'est, en effet, ce qu'ont cru observer de nombreux auteurs, sur des ~uYes industrielles, comme le montre la 30 figure 9.20, page 356 de l'ouvrage précité.

EXPOSE DU PROBLEME

A l'heure actuelle, les conditions ~conomiques at techniques de la productioD
35 d'aluminium par le proc~dé Hal-Héroult axigerlt que l'exploitant recherche constamment à optimiser les différents facteurs qui déterminent le Prix de revient du me~al; parmi ces facteurs, le rcndement ~araday est l'un des plu~ importants, , .~

~ 5 et aussi un des plus fraxiles, c~r de faibles perturbations pauvent le d~grader ~ensiblement. Il est donc souhaitable do rechercher tous les facteurs qui agissent ~ur le rentement Faraday, de fa~on ~ le maintenir ~ une ~aleur ~lovée et stable.Au prix actuel de l'aluminium au LME (1200 $ la tonne ~ fin avril 1985) 0,1 5 point de ~araday sur una production de 500.000 tonnes/an correspond à un gain de près de 380.000 $/an.

OB,lE~T Dl~ L'lNVE~Nl'ION

10 L'obiet de l'invention est un perfectionnement du procédé ds régulatiqn précise d'une faible teneur en alumine dans la cuve d'electrolyse, permettant d'am~liorer sensiblement le rendement Faraday. En observant la mise en oeuvre du procédé
de régulation par calcul de pente, obiet da notre brevet précité, sur nos cuves d'électrolyse modernes fonctionnant 80US 175 000 0U 280 000 Ampères. avec une 15 composition de bain dite "acide", c'est-~-dire un bain comportant plus de 8 % en poids de fluorure d'aluminium AIF3 en excès par rapport ~ la cryolithe neutre de formule Na3AlF6, nous avons constat, contrairement à l'opinion générale des spécialistes qus nous indiquions précédeMment, que, malgré l'augmentation de température du bain d'électrolgse, le rendement en courant croissait rapidement 20 lorsque la teneur en alumine du bain baissait.

Nous avons d~couvert que ce phénomène avait une amplitude iusqu'alors insoupconnée puisque, en ramenant la teneur en alumine de 2,5 % en poids dans le bain, à ~,5 % en poids, cette baisse de 1 point de la teneur en alumine 25 permettait de remonter le rendement en courant de 94 % à 95,7 ~, soit une au~mentation de 1,7 % du rendement d'électrolyse. Or, en raison de l'augmentation de la température de fonctionnement du bain d'électrolyse, qui ~tait passée dans le même temps de 946C à 951~C, on aurait dû logiquement observer une baisse de 1 % de ce rendement.

Cependant, cette au~mentation de rendement s'accompagne d'une au~mentation de la tension d'électrolyse, d'autant plus rapide que la teneur en alumine est plusbasse.

, ~ 2S~7 / ~ 5a -L'invention concerne un procédé de régula-tion précise d'une faible teneur en alumine comprise entre 1 et 4,5~, dans une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-l~éroult, caractérisé en ce que, dans le but d'obtenir un rendement Faraday au moins égal à 94%, on determine un paramètre de régulation P = -l/D.(dRi/dt), exprimé en microohms par seconde e-t par % en poids par heure, D étant la dérive de la teneur du bain d'électrolyse en alumine, exprimée en ~ en poids par heure, e-t Ri la résistance interne de la cuve, t le temps et on effectue les opérations suivantes de façon répétitive:

a) On alimente la cuve à une cadence nominale CN telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quan-tité consommée par l'électrolyse.

b) On déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C , supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t prédéterminée. Pendant cette période, dRi/dt est négative.

c) On passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à une cadence C inférieure à CN. La pente dRi/dt s'annule puis devient positive. On mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter.

d) On compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédeterminée. Dès que P = Po on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).

De préférence, après le stade b) de suralimenta-tion, on ~ .
.

~S~ 7 - 5b -passe, pendant quelques minutes, en cadence nommale CN avant de passer en sous-alimentation.

De préférence, après le stade b) de suralimentation, on passe, pendant quelques minutes, à une cadence peu différente de CN.

La consommation énergétique à la -tonne d'aluminium produite peut se mettre en fonction du rendement E~araday, F, et de la tension aux bornes d'une cuve, U, sous forme:

..
. :
- : .

.
' ~ : ; .

~l~S~ 7 Kwh/tonne - 2 980 U(volts) ~ P

D'autre part, à intensité d'~lectroly~e fi~cée J, la production d'une cuve est pro~ortionnelle ~ son rendement F, c'est-~-dire que l'incidence des frais nfixes"
5 (amortissement, frais financier~, et une grande partie de~ frais de raain-d'oeuvre et d'entretien~ est d'autant plus faible que le rendement Paraday 83t meilleur.

Compte tenu de la découverte que nous avoDs faite de la très forte incidence de la teneur en alumine du bain sur le rendement Faraday, on concoit qu'il y a toutl 0 intérêt à ajuster la teneur en alumine du bain à une valeur faible, mais suffisante cependant, pour éviter que le cout éner~étique du ~ I'augmentation dela tension aux bornes de la cuve ne vienne surpasser les gains espérés par amélioration du rendement ~araday.

15 D'une fa~on générale, et pDUr de~ conditions économique~ normales, cette teneur optimale en alumine se situe très près de la teneur minimale en-dessous de laquelle apParalt "l'effet d'anode", appelé également remballage" DU "polarisationn, qui se traduit par une montée très brutale de la tellsion au~ bornes de la cuve et de la température du bain d'~électrolyse, et par le dégagement en ~uantités 20 importantes de produits fluor~és prDvenant ~de la décomposition du bain d'électrolyse.

Pour éviter un tel phénomène, désastreu~ à la fois pDur les performances énegétiques et pour l'envlronnement, tout en s'approchant au mieul~ de la teneur25 en a]ur~ine donnant les meilleures performances économiques, on concoit ~u'il est extrêmement important de disposer d'un procédé permettant de contrôler et de réguler très finement la teneur en alumine du bain d'électrol~se dans le domainedes basses teneurs, par exemple entre 1 % et 3 %, et de préférence entre 1 %
et 2,5 %.
~0 C'est un premier obiet de l'invention que de fournir un tel procédé de régulation de la teneur en alumine du bain dans le domaine des basses teneurs. par l'utilisation d'un paramètre s~nthétique P calculable simplement à partir de mesures classiques faites sur une ¢uve d'électrolyse, à savoir: la tension aux 35 bornes de chaque cuve, l'intensité parcourant la file de cuve et la cadence d'alimentation en alumine ~en k~/heure p.ex.).

~: ` `: :

:, . .

Ce p~ramètre P est ~valué à PQrtir de l~ pseudo-ré~itance interne de la cuve, Ri, définie ~lle-meme par:

Ri 103 ~ U-Eo) / J

ob U est la tension aux borne~ de la cuve ~en volts3 Eo est une valeur forfait~e, en volt~, de la force contre-électromotrice dynamique de la cuve, généralement comprise entre ~,5 et 2,0 volts, et le p]us souvént de l'ordre de 1,65 ~ 1,75 volts 10 J est l'intensité d'électro~yse, exprimée en kiloamperes (= 103 smpères) Ri s'e2~prime alors en micro-ohms.

~sa dérivee dRi/dt s'expririle 8énéralement en micro~ohms par seconde).
Plus précisémment, si D est la dérive de teneur en alur,line du bain d'électrolyse, exprimée par e~emple en pour-cent poids par heure, P s'el~prime par la fcrmule:

P ~ - lJn . ~dRi/dt) (P étant exprimé en micro-ohms par seconde et par % poids par heure).

La r~gulation de la cuve ~elon l'in~ention consiste à rester aussi longtemps quepo~sible dans une zone de teneur en a]umine, pas nécessairement connue de façvn 25 précise, mais telle que P soit aussi proche que possible d'une Yaleur Po que l'on s'est fi~ée au préalable. ~ i a~ Pour cel~s, on prévoit d'alimenter régulièrement la cuve à une cadence, dite cadence nominale CN, telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain ~oit 30 sensiblement ~gale ~ la quantité d'alumine consommée par ~lectrolyse. Pendantces p~riodes à cadence nominale, on peut ajuster sans difficulté la distance interpolaire en se basant sur la valeur de la pseudo-résistance ~ui est alors mesurée pour une teneur en alumine du bain sensiblement constante.

35 b) Puis, partant dc cette situatiGn stable, on déclenche, à des moments choisis, une suralimentation c'est-à-dire une alimentation en alumine ~ une cadence C~

- , , ~: : . : :,: , . :. : , . :

:, . .. .

supérieure ~ la cadence nominale CN. Dan~ ce~ conditions, le bain s'enrichit progre~sivement en ~lumine, A un r~rthme d'nutant plus rapide que la cadence de ~uralimentation e~t plus grande.

5 La durée t+ de cette suralimentatioD e~t fixée de façon à provoquer un enrichis3ement en alumine du baio d'électrolyse. Notons ~'il n'est pas n~ce~s~ire de me~urer ou salculer la valeur e~acte de cet enrichi3~sment. OD peut, pendant cette période de suralirnentation, ~uivre l'évolution de la p3eudo-résistance de la cuve (- dRi/dt). Il exi3te cepeDdant un risque que toute l'alumine introduite nese dissolve pas instantanément dans le bain, ce risque étant d'autant plus grandque la cadence de suralimentation est plus rapide.

Les valeurs de P que l'on mesure sont alors entachées d'un ri~que d'erreur non nul, et, d'une facon générale, on ne les utilisera que pour détecter de graves 15 anomalies d'~limentation.

c) Après cette suralimentation de durée t~ fixée, on pasQe alors en sous-alimentation, c'est-à-dire que l'on alimente la cuve ~ une cadence C~ plus lente ~ue la cadence nominale correspondant à la consommation d'alur~ne par 20 électrolyse. On constate généralement, au début de la sous-alimentation, que la pente IdRi/dt), normalement négative pendant la suralimentation, met un certain temps pour s'aDnuler puis pOUI prendre des valeurs positives de plus en plus grandes.

25 Cette période initiale, qui ne dure généralement sue que]aues mi~utes, correspond à la fin de dissolution de l'alumine en excès introduite lors de la période de suralimeDtation et non immédiatement assimilée par le bain.

On peut facilement neutraliser cette période initiale où la teneur en alumine tu30 bain n'évolue pas conformément à la cadence d'introduction de cette alumine: en effet, par des mesures fréquentes, nous avons constaté que la durée de cette période initiale était de l'ordre de 2 à 3 fois la durée séparant le lancement de la période de sous-cadencement et le moment o~ la pente de dRi/dt calculée passait par la valeur O.

. Une autre méthode consiste à intercaler après la suralimentation une période de quelques minutes en cadence nominale avant de passer en s~us alimentation.

, , ' ',:
'' ' ' .'' :

~s~

Après cette période initisle, la teneur ~sn alumine du bain décrol t d'autant plug vite que la cadence d'alimentation est plus lente, et, parall~lem0nt. la pente dRj/dt mesurée augmenee.

5 La dériv& de teneur en alumine, D, comptée en ~ poids p~r heure, est alor~
proportionnelle ~:

D = ~ ( I ~ CN) ( Q-ba~1n 1iqu;dë) où .C~ est la cadence de sous-alimentation comptée en kg d'A1203 introduite par seconde et CN est la cadence nominaie d'alimentatioD IcomPtée dans les mëmes unités~. Tout sutre système cohérent d'ullités peut bien sûr etre utilisé,par exemple l'inverse du temps séparant l'introduction de 2 doses d'alumine 1 5 consécutives.

Q(A123) est le poids d'alumine consommé par unité de temps, par électrolyse.
. Q (bain liquide) est le poids de bain liquide, capable de dissoudre de l'alumille, , contenu dans le creuset de la cuve là titre indicatif, si le poids de bain liquide 20 est mesuré en 1~g7 de l'ordre de 30 J ob J est l'intensité d'électrolyse comptée en l~ notons que la constante de temps pour la fusion ou la solidification de bain au niveau du talus étant très grande ~généralement de l'ordre de plusieurs heures), cette quantité ne varie que très lentement dans le temps.

2S A titre d'exemple, pour une cuve 280 kA contenant 8000 ~g de bain liquide et consommant 170 kg d'alumine par heure, et une cadence C- = 0,7 CN, il vient D
---0,64 % par heure.

On peut alors mesurer de façon fiable et fréquente le paramètre s3~nth~tique P = i , 30 - l/D . ~dRi/dt).

d) Au fur et ~ mesure que la sous-alimentation se prolonge, la valeur de P, initialement inférieure à la valeur visée Po, augmente et finit par atteindrc cette valeur visée. Cet é~r~nement se produit au bout d'uD temps t- de 35 sous-cadencement que l'on ne peut prévoir de façon certaine et ~énéralement différent du temps t~ de surcadencement.

, :, , . ' ' . ' .~,..... , ., .. . . :
, :. : .. . .
. . . .. .
, 5~ 7 e) On repa~se alorx en cadence nominale CN, c'est-~-dire d une cadence d'alimentation égale au rythme de consommation de l'~lumine pcr 61ectrobse, pendant un temps tN au bout duquel le cycle de mesure et aiustement redemarre en (a).

La teneur en a]un~ne visée ét~nt proche de la teneur limite déclenchant l'app~rition d'une polarisation de la cuve, il est e~entiel qu'apr~s un fonctionnement à cadence nominale, le recalage se fasse en faisant précéder la pha~e de recherche du point de fonctionnement ~caractérisé par Po), pendant un 10 sous-cadencement, par une période de surcadencement qui permet de s'~loigner de cette teneur limite avant de déclencher la recherche.

Bien entendu, le procédé de regulation selon l'invention peut n'être utilisé quependant une partie du temps de fonctionnement de la cuve, et de pr~férence lorsque la cuve est stable.

Certaines oPérations perturbent en effet le fonctionnement normal, et c'est particulièrement le cas des opérations de changement d'anodes et de coulée du métal produit.
Il est bien évident pour l'homme de l'art que l'on pourra adopter des algorithmes de régulation particuliers pendant et après le déroulement de ces opérations perturbatri-~es, iusqu'à ce que la cuve ait retrouvé une stabilit~ de marche suffisante.
Il est évident également pour l'homme de l'art que l'on pourra intercaler, entrel'~tape de sur~limentation (~) et l'~tape de sous-alimentation contrôlée ~4) uneétape supplémentaire d'alimentation en cadence nominale -ou de l~gère sur ou sous~alimentation- sans que ceci ne perturbe sensiblement le procéd~ selon 30 I'invention, c'est-à-dire n'empêche de rechercher le point de fonctionnement tel que P ~--l/D ~dRi/dt) soit proche de Po.

E3n ce qui concerne l'estimation de la valeur de Po correspondant à Im fonctionnement de la cuve le plus proche de l'optimum ~coDomique, il nous est 35 apparu que Po pouvait etre décrit par une équation très simplifiée, .' ', ' ~
.
. .
~ . , .

s~

où: Po est exprimé en micro-ohms par ~econde et par pour-cent poids par heure, 1~1 est un coefficient "économique~ synthétisant les conditions économiques du moment (an particulier coût de l'énergie comparé RUX 3utl es postes du pri~ de revient, hors alumine), K2 est un coefficient "technique" synthétisant les car~ct~risti~ues technologiques et phs~3icochimiques de la cuve ~K2 est seD~iblement indépendant de Kl), J est l'intensite de marche de la cuve, e~primée en l~ilo-ampères ~ 103 Ampères).

De préférence, ce paramètre Po sera maintenu entre les Yaleurs limites de 1~0 J
et ~ 0 ,~
L'estlmation de Kl et K2 peut se faire comme suit:

Le coefficient économique Kl synthétise les conditions économiques du momert. Ilest ~ensiblement égal au rapport de la somme des coût~ fixes de transformation 20 ~hors alumine), cGmprenant en particulier le cout de l'énergie et des produits carbonés consommables, de la main-d'oeuvre et des amortissements, fra~s financiers compris, au co6t de l'énergie.

A titre d'exemple illustratif et non limitatif, une bonne appro~imation de ce 25 coefficient Kl peut etre obtenue en décomposant comme ~uit les coût~ de production d'une tonne d'aluminium.

A c couGt de l'alumine et matières premières diverses ~hors carbone3, C - coGt des matières premières carbonées, E - coGt de l'énergie (électrolyse et captation3, P - autres couts de production ~essentiellement main-d'oeuvre et frais d'entretien) AF~ c amortissements et frais financiers.

35 On écrit alors que K1 est approximativement égsl ~:

K~ = C+E+P+Ali'F / E

. .

' . . ' . ., ~ . :
, . , ~

. . . . . . . .

" ,: . ; .

~une e~timation de K~ 20 % est largement suffi~nte pour s'approcher suffi~amment de l'optimum économi~ue).

A titrt d'e~cemple, pour un coût de production de l'aluminiu~n ~e décomposant en:

A - 4000 F/TonDe C e 1000 F/TollDe E~ - 2000 F/Tonne P - 200û F/Tonne A~F = 1200 ~/Tonne, il vient: K1 = 1000+2000+2000~]200/2000 c 6200/2000 = 3,10 15 Le coefficient "technique" K2 synthetise les caract~ristiques technologiques et pbysicochimiques de la cuve et peut être evalué comme suit:

On t~u~re e~périmentalement en première appro~imation Isénéralement suffisante pour déterminer une conduite de cuves suffisamment optimisée):
K2 =--~ 1/360 ) x ~U/F) ~ ( d~/d(A1203) ) où: U est la tension aux bornes de la cuve, comptée en volts, généralement comprise entre 3,8 et 5,5 volts pour des cuves correctement condl~ites par I'homme de l'art.
P est le rendement Faraday de la cuve, ~énéralement compris entre 0,88 et 0,96 pour ces memes cuves correctement conduites d~/d~A12o3~ est 18 dérive algébrique du rendement Fsraday par rapport a la teneur en alumine du bain, comptée en % de Faraday par % d'alumine, dans la zone des teneurs en alumine comprises entre 1 % et 4 %, et de préférence dans la zone de teneurs en Al2o3 comprise entre 1,5 % et 3 96.

Ce facteur dF/d~A12o3) d~pend de nombreux facteurs tels nue la composition du bain (acidité = excès d'AlF3~, sa surchauffe ~c'est-~-dire l'écart entre la 35 température effectiv~e du bain et sa température de solidification commencante), ,~ .

.

. ~ . ~: . . . . .
, : ' :. . ' ' .

~;25~7 .

I'équilibre magnétique (et ~n particulier l'agit~tion et 1~ déformation d0 I'interface bain/métal).

. D'une facon générale, ce facteur dF/d(A12o3) doit être déterr~iné
5 e~périmentalement pour cha~ue type de cuve et Pour les dive~ types de bains utilisé~ ~bain~ peu acides, ~ moins de 8 ~ d'e~c~ d'A1~3, ou bains très scide3, à
plus de 8 % d'excès d'AlF3 ou avec des sous--Rdditifs tels qlle LiF et MgF2). Une fois déterminé, il ne dépend plus, en première approximation, des conditions économi~s~es.
A titre d'exemple non limitatif, pour une cuve d'iI~tensité nominAle 280 KA, fonctionnant avec un bain ~ 13 % d'e~cès d'AlF3 et moins de 1 % de LiP, avec une température de baio d'snviron 950-C et une teneur en alumine compri~e entre 1,7 % et 2,5 %, OD a trouvé:
~dF/dA12o3 ~ C--1,5 (% de Faraday par % d`alumine) (c'est-~-dire que le rendement Paraday augmente de 1,5 % quand la teneur en alumine baisse de 1 961.
Pour cette même cuve, dans les mêmes conditions de fonctionnement, on a mesuré

F = 0,95 (soit 95 %~
V - 4,10 volts On en déduit le coefficient technique K2 pour ce tgpe de cuve travaillant en bain acide:

K2 =--~1/360) x ~4,1/0,95) x 1-1,5~ = + 1,8/100.
BXE~PL13 D13 UIS~ ~3N ORUVRE

L'invention a été appliquée sur une série de cuves d'électro~se fonctionnant à
une intensité de 280 KA, sous une tension de 9,10 volts par cuve et donnant un 35 rendement Paraday de 95,o % pour une tensur moyenne en alumine du bain d'électrolyse égale à 2,3 %, régulée auparavant selon le procédé de notre brevetFR 2 487 386 déià cité ~procédé dit "à calcul dc pente"~.

' ' :

:

~4 La productio~ iournalière de la xérie, par cuve, ~tait de 2.145 k~/~our, pour une con~ommation énergétique de 12.860 kWh~tvnne.

On ~ d~terminé le paramètre Po en pr~naot pour:
K1 la ~aleur de: 3,10 K2 la ~raleur de: + 1,8/100 (J nominal étant éga] à 280 KA) d'où Po = + 200.106 (microohms par seconde, par % par heure)(ce qui correspond l0 à 5,6 l00 J -Ayant choisi une cadence de 30US alimentation C~ égale à 70 % ;de la cadencenominale CN, correspondant ~ une dérive de teneur en alumine D=-0,64 % par heure, on s'est alors placé selon la méthode de recherche précédente, au point 15 de fonctionnement tel que dRi/dt ~ -Po ~ D G + 130.105 micra~ohm/seconde au moment où l'on enclenchait la cadence nominale C~

On a obtenu les r~sultats suivants:

Paramètres Ecarts par rapport ~ l'art antérieur ____ _ _________ _________ _ _ __ _______ __ _ Intensité d'équilibre J: 281 KA ~+0,3 %) 25Tension : 4,15 ~rolts (+1,2 %) Rendement Faraday : 95,7 % (+0,7 %) Consom.énergétique : 12 920 kWh/T ~+0,5 %) Production iournalière: 2 167 kg/iour (+1,0 %~
Teneur moyenne observée 30 du bain en ~lumine : 1,9 %

Le gain sur le prix de revient (amortissements et frais financiers compris) a été
de 20 F par tonne d'aluminium produite.

~5 , .
. ~ .

Claims

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé de régulation précise d'une faible teneur en alumine comprise entre 1 et 4,5%, dans une cuve pour la production d'aluminium par électrolyse, selon le procédé Hall-Héroult, caractérisé en ce que, dans le but d'obtenir un rendement Faraday au moins égal à 94%, on détermine un paramètre de régulation P = -1/D.(dRi/dt), exprimé en microohms par seconde et par % en poids par heure, D étant la dérive de la teneur du bain d'électrolyse en alumine, exprimée en % en poids par heure, et Ri la résistance interne de la cuve, t le temps et on effectue les opérations suivantes de façon répétitive:

a) on alimente la cuve à une cadence nominale CN
telle que la quantité d'alumine introduite dans le bain soit sensiblement égale à la quantité consommée par l'électrolyse;

b) on déclenche périodiquement une suralimentation en alumine à une cadence C+, supérieure à la cadence nominale CN, de façon à enrichir le bain en alumine, et pendant une durée t+ prédéterminée, dRi/dt étant négative, pendant cette période;

c) on passe en sous-alimentation, c'est-à-dire à
une cadence C- inférieure à CN, de sorte que la pente dRi/dt s'annule puis devient positive, et on mesure, de façon fréquente, le paramètre de régulation P, dont la valeur tend à augmenter;

d) on compare les valeurs successives de P à une valeur de consigne Po prédéterminée et dès que P = Po, on repasse en cadence d'alimentation nominale CN et on recommence un nouveau cycle en (a).

2. Procédé de régulation, selon revendication 1, caractérisé en ce que, après le stade b) de suralimentation, on passe, pendant quelques minutes, en cadence nominale CN
avant de passer en sous-alimentation.

3. Procédé de régulation, selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après le stade b) de suralimentation, on passe, pendant quelques minutes, à une cadence peu différente de CN.

4. Procédé de régulation, selon revendica-tion 1, caractérisé en ce que la valeur de consigne Po du paramètre de régulation P est déterminé à partir de l'intensité J en kA du courant d'électrolyse et de deux coefficients K1, lié aux coûts de production, et K2 lié aux caractéristiques physicochimiques de la cuve, selon la relation Po - K1K2/J.

5. Procédé de régulation, selon revendica-tion 4, caractérisé en ce que le coefficient K1 est sensi-blement égal au rapport de la somme des coûts fixes de transformation (énergie, produits carbonés consommables, main d'oeuvre, amortissements) au coût de l'énergie électrique.

6. Procédé de régulation, selon revendication 4, caractérisé en ce que le coefficient K2 est sensiblement égal à:

7. Procédé de régulation, selon la revendi-cation 1, caractérise en ce que la valeur de consigne Po du paramètre de régulation P exprimée en microohms par seconde et par pour-cent en poids par heure est fixée entre 2/100.J et 10/100.J, l'intensité J du courant d'électrolyse étant exprimée en kA.

8. Procédé de régulation, selon la reven-dication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que la valeur de consigne Po du paramètre de régulation P exprimée en microohms par seconde et par pour-cent en poids par heure est fixée entre 2/100.J et 10/100.J, l'intensité J du courant d'électrolyse étant exprimée en kA.