CA2361671A1 - Arrangement de cuves d'electrolyse pour la production d'aluminium - Google Patents
Arrangement de cuves d'electrolyse pour la production d'aluminium Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne un arrangement de cuves d'électrolyse (1), disposées en travers, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procé dé Hall-Héroult, comprenant au moins une première file de cuves d'électrolyse, formant un premier circuit électrique, et au moins un deuxième circuit électrique situé à une distance moyenne déterminée de la première file, caractérisé en ce qu'au moins un conducteur (7) dit "axial" passe sous chaqu e cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur (8) dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, en ce qu'au moins un conducteur (11A, 11B) dit "de contournement" contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de maniè re à transmettre aux dites montées (6A, 6B, 6D, 6E) une première partie I1 du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaq ue conducteur axial est raccordé à un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées (6A, 6B, 6D, 6E) une deuxième partie I2 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement es t raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côt é amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve, et au ou à chaque conducteur de contournement de ladite cuve, de manière à ce qu'une fraction Mc du courant Io inférieure à 15 % est transmise par les montées situées dans l a zone centrale de la file.
Description
ARRANGEMENT DE CUVES D'ÉLECTROLYSE POUR LA PRODUCTION
D'ALLa~~IUM
Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé
Hall-Héroult, et plus particulièrement les méthodes et moyens permettant de le mettre en aeuvre de manière industrielle. L'invention concerne tout particulièrement les files de cuves d'électrolyse disposées en travers, c'est-à-dire dont les côtés longs sont perpendiculaires à l'axe de la file.
État de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyse, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyse est contenu dans une cuve comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain 2o d'électrolyse. La cuve et les anodes forment ce qui est souvent appelé une cellule d'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyse et la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule.
Pour des raisons de rentabilité d'une usine, on cherche, d'une part, à réduire les coûts d'investissement et de fonctionnement et, d'autre part, à obtenir simultanément des intensités et des rendements Faraday les plus élevés possible, tout en préservant, voire en améliorant, les conditions de fonctionnement des cellules d'électrolyse.
D'ALLa~~IUM
Domaine de l'invention L'invention concerne la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé
Hall-Héroult, et plus particulièrement les méthodes et moyens permettant de le mettre en aeuvre de manière industrielle. L'invention concerne tout particulièrement les files de cuves d'électrolyse disposées en travers, c'est-à-dire dont les côtés longs sont perpendiculaires à l'axe de la file.
État de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyse, selon le procédé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyse est contenu dans une cuve comprenant un caisson en acier, qui est revêtu intérieurement de matériaux réfractaires et/ou isolants, et un ensemble cathodique situé au fond de la cuve. Des anodes en matériau carboné sont partiellement immergées dans le bain 2o d'électrolyse. La cuve et les anodes forment ce qui est souvent appelé une cellule d'électrolyse. Le courant d'électrolyse, qui circule dans le bain d'électrolyse et la nappe d'aluminium liquide par l'intermédiaire des anodes et des éléments cathodiques, opère les réactions de réduction de l'alumine et permet également de maintenir le bain d'électrolyse à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule.
Pour des raisons de rentabilité d'une usine, on cherche, d'une part, à réduire les coûts d'investissement et de fonctionnement et, d'autre part, à obtenir simultanément des intensités et des rendements Faraday les plus élevés possible, tout en préservant, voire en améliorant, les conditions de fonctionnement des cellules d'électrolyse.
2 Dans ce but, les usines les plus modernes contiennent un grand nombre de cellules d'électrolyse disposées en ligne, dans des halls dits d'électrolyse, et raccordées électriquement en série à l'aide de conducteurs de liaison, de manière à
optimiser l'occupation au sol des usines. Les cuves, qui ont pratiquement toujours une forme rectangulaire, sont en général disposées côte-à-côte, c'est-à-dire que les grands côtés sont perpendiculaires à l'axe de la file (on dit aussi qu'elles sont orientées "en travers"), mais elles peuvent aussi être dispôsées tête-à-tête (on dit aussi qu'elles sont orientées "en long"). Les cuves sont généralement disposées de manière à
former deux ou plusieurs files parallèles qui sont électriquement liées entre elles par des 1o conducteurs d'extrémité. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante. La longueur et la masse des conducteurs sont le plus réduit possible de manière à limiter les coûts d'investissement et de fonctionnement correspondants, en particulier par une réduction des pertes par effet Joule dans les conducteurs.
En outre, le rapprochement des cuves d'électrolyse et l'augmentation des intensités du courant d'électrolyse ont conduit au développement de configurations de conducteurs capables de compenser les effets des champs magnétiques produits par le courant d'électrolyse.
Dans ce même but, il est connu de doter les cuves, ou files de cuves, de moyens de contrôle élaborés qui permettent une grande maîtrise du procédé d'électrolyse.
En 2o particulier, la demande française FR 2 753 727, au nom de la demanderesse, propose un procédé de régulation fine de la température qui permet d'atteindre des valeurs élevées du rendement Faraday.
Les cuves d'électrolyse sont généralement pilotées de telle manière qu'elles se trouvent en équilibre thermique, c'est-à-dire que la chaleur dissipée par chaque cuve d'électrolyse est globalement compensée par la chaleur produite dans celle-ci, qui provient essentiellement du courant d'électrolyse. Les conditions d'équilibre thermique dépendent des paramètres physiques de la cuve, tels que les dimensions et la nature des matériaux constitutifs, et des conditions de fonctionnement de la cuve, tels que la 3o résistance électrique de la cuve, la température du bain ou l'intensité du courant d'électrolyse. La cuve est souvent constituée et conduite de façon à entraîner la
optimiser l'occupation au sol des usines. Les cuves, qui ont pratiquement toujours une forme rectangulaire, sont en général disposées côte-à-côte, c'est-à-dire que les grands côtés sont perpendiculaires à l'axe de la file (on dit aussi qu'elles sont orientées "en travers"), mais elles peuvent aussi être dispôsées tête-à-tête (on dit aussi qu'elles sont orientées "en long"). Les cuves sont généralement disposées de manière à
former deux ou plusieurs files parallèles qui sont électriquement liées entre elles par des 1o conducteurs d'extrémité. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante. La longueur et la masse des conducteurs sont le plus réduit possible de manière à limiter les coûts d'investissement et de fonctionnement correspondants, en particulier par une réduction des pertes par effet Joule dans les conducteurs.
En outre, le rapprochement des cuves d'électrolyse et l'augmentation des intensités du courant d'électrolyse ont conduit au développement de configurations de conducteurs capables de compenser les effets des champs magnétiques produits par le courant d'électrolyse.
Dans ce même but, il est connu de doter les cuves, ou files de cuves, de moyens de contrôle élaborés qui permettent une grande maîtrise du procédé d'électrolyse.
En 2o particulier, la demande française FR 2 753 727, au nom de la demanderesse, propose un procédé de régulation fine de la température qui permet d'atteindre des valeurs élevées du rendement Faraday.
Les cuves d'électrolyse sont généralement pilotées de telle manière qu'elles se trouvent en équilibre thermique, c'est-à-dire que la chaleur dissipée par chaque cuve d'électrolyse est globalement compensée par la chaleur produite dans celle-ci, qui provient essentiellement du courant d'électrolyse. Les conditions d'équilibre thermique dépendent des paramètres physiques de la cuve, tels que les dimensions et la nature des matériaux constitutifs, et des conditions de fonctionnement de la cuve, tels que la 3o résistance électrique de la cuve, la température du bain ou l'intensité du courant d'électrolyse. La cuve est souvent constituée et conduite de façon à entraîner la
3 formation d'un talus de bain solidifié sur les parois latérales de cette cuve, ce qui permet notamment d'inhiber l'attaque des revêtements desdites parois par la cryolithe liquide. Le point d'équilibre thermique est généralement choisi de manière à
atteindre les conditions de fonctionnement les plus favorables d'un point de vue non seulement technique, mais également économique.
Le brevet français FR 2 552 782 (correspondant au brevet américain US 4 592 821), au nom de la demanderesse, décrit une file de cuves d'électrolyse qui peut fonctionner industriellement à des intensités supérieures à 300 kA et avec des rendements Faraday lo supérieurs à 90 %.
Problème posé
Le développement continu des performances des usines d'électrolyse, aussi bien sur le plan technique que sur le plan économique, a conduit la demanderesse à
rechercher des solutions pour augmenter la rentabilité des usines de manière globale, en prévoyant notamment la possibilité d'une plage d'intensités de fonctionnement des cuves. En effet, la possibilité d'effectuer des variations volontaires des conditions de fonctionnement, qui peuvent être importantes par rapport aux conditions nominales, 2o est souvent utile dans la gestion d'une usine d'électrolyse. Par exemple, on peut chercher à varier la puissance d'une série de cuves d'électrolyse en fonction d'un contrat d'énergie électrique.
Or, la demanderesse a constaté que les cuves d'électrolyse présentent des hétérogénéités de température, et plus précisément une dispersion des valeurs de température dans l'ensemble de la masse liquide, qui, quoique relativement faibles, ont tendance à se maintenir dans le temps, c'est-à-dire que certains écarts de température par rapport à la valeur moyenne de la cuve ne s'annulent pas par un effet de moyenne dans le temps. Ces hétérogénéités ont en particulier pour inconvénient de limiter la 3o finesse de la régulation thermique des cuves. Les procédés de régulation connus permettent certes de maîtriser les fluctuations de température dans le temps, mais ne
atteindre les conditions de fonctionnement les plus favorables d'un point de vue non seulement technique, mais également économique.
Le brevet français FR 2 552 782 (correspondant au brevet américain US 4 592 821), au nom de la demanderesse, décrit une file de cuves d'électrolyse qui peut fonctionner industriellement à des intensités supérieures à 300 kA et avec des rendements Faraday lo supérieurs à 90 %.
Problème posé
Le développement continu des performances des usines d'électrolyse, aussi bien sur le plan technique que sur le plan économique, a conduit la demanderesse à
rechercher des solutions pour augmenter la rentabilité des usines de manière globale, en prévoyant notamment la possibilité d'une plage d'intensités de fonctionnement des cuves. En effet, la possibilité d'effectuer des variations volontaires des conditions de fonctionnement, qui peuvent être importantes par rapport aux conditions nominales, 2o est souvent utile dans la gestion d'une usine d'électrolyse. Par exemple, on peut chercher à varier la puissance d'une série de cuves d'électrolyse en fonction d'un contrat d'énergie électrique.
Or, la demanderesse a constaté que les cuves d'électrolyse présentent des hétérogénéités de température, et plus précisément une dispersion des valeurs de température dans l'ensemble de la masse liquide, qui, quoique relativement faibles, ont tendance à se maintenir dans le temps, c'est-à-dire que certains écarts de température par rapport à la valeur moyenne de la cuve ne s'annulent pas par un effet de moyenne dans le temps. Ces hétérogénéités ont en particulier pour inconvénient de limiter la 3o finesse de la régulation thermique des cuves. Les procédés de régulation connus permettent certes de maîtriser les fluctuations de température dans le temps, mais ne
4 limitent pas directement la dispersion des valeurs de température sur l'ensemble de la cuve. En outre, les zones de température inférieure à la valeur de consigne favorisent les dépôts de matière au fond de la cuve et la formation de talus filant (c'est-à-dire qu'une partie du talus recouvre partiellement la cathode), qui augmentent la chute cathodique et sont à l'origine d'instabilités de la cuve, et les zones de température supérieure à la valeur de consigne tendent à réduire les talus de bain solidifié
protecteur sur les côtés de cuve et peuvent conduire à une usure irrégulière des revêtements.
lo La demanderesse a donc recherché des solutions pour réduire la dispersion des températures et les fluctuations thermiques dans les cuves d'électrolyse qui pallient les inconvénients de l'art antérieur tout en restant satisfaisantes pour la conception générale des cuves, notamment en ce qui concerne l'occupation au sol et les coûts d'investissement et de fonctionnement, et pour la conduite des cuves.
Objet de l'invention L'invention a pour premier objet un arrangement de cuves d'électrolyse disposées en travers, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé
Hall ~ Héroult.
L'invention a également pour objet une usine d'électrolyse comprenant un arrangement de cuves selon le premier objet de l'invention.
Description de l'invention Selon l'invention, l'arrangement de cuves d'électrolyse, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult avec un courant d'électrolyse d'intensité Io, comprend au moins une première file de cuves d'électrolyse, formant un 3o premier circuit électrique, et au moins un deuxième circuit électrique situé à une distance moyenne déterminée de ladite première file, ladite première file comprenant N cuves disposées en travers et des conducteurs de liaison pour transmettre ledit courant d'élèctrolyse Io d'une cuve de ladite file, dite cuve amont, à la cuve suivante de ladite file, dite cuve aval, chaque cuve comprenant un caisson métallique, des éléments de revêtement intérieur, des anodes et des éléments cathodiques, lesdits
protecteur sur les côtés de cuve et peuvent conduire à une usure irrégulière des revêtements.
lo La demanderesse a donc recherché des solutions pour réduire la dispersion des températures et les fluctuations thermiques dans les cuves d'électrolyse qui pallient les inconvénients de l'art antérieur tout en restant satisfaisantes pour la conception générale des cuves, notamment en ce qui concerne l'occupation au sol et les coûts d'investissement et de fonctionnement, et pour la conduite des cuves.
Objet de l'invention L'invention a pour premier objet un arrangement de cuves d'électrolyse disposées en travers, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé
Hall ~ Héroult.
L'invention a également pour objet une usine d'électrolyse comprenant un arrangement de cuves selon le premier objet de l'invention.
Description de l'invention Selon l'invention, l'arrangement de cuves d'électrolyse, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult avec un courant d'électrolyse d'intensité Io, comprend au moins une première file de cuves d'électrolyse, formant un 3o premier circuit électrique, et au moins un deuxième circuit électrique situé à une distance moyenne déterminée de ladite première file, ladite première file comprenant N cuves disposées en travers et des conducteurs de liaison pour transmettre ledit courant d'élèctrolyse Io d'une cuve de ladite file, dite cuve amont, à la cuve suivante de ladite file, dite cuve aval, chaque cuve comprenant un caisson métallique, des éléments de revêtement intérieur, des anodes et des éléments cathodiques, lesdits
5 éléments cathodiques étant munies de sorties cathodiques de raccordement faisant saillie du côté amont et du côté aval du caisson de chaque cuve, une première partie Im du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté
amont de chaque cuve, une deuxième partie Iv du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté aval de chaque cuve, lesdits conducteurs de liaison comprenant 1o des conducteurs ascendants, appelés "montées", le courant Io provenant de l'ensemble des éléments cathodiques d'une cuve amont étant transmis aux anodes de la cuve aval par l'intermédiaire desdites montées, et est caractérisé en ce qu'au moins un conducteur dit "axial" passe sous chaque cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, c'est-à-dire la zone de chaque cuve située du côté dudit deuxième circuit électrique, en ce qu'au moins un conducteur dit "de contournement"
contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à
transmettre aux dites montées une première pârtie I1 du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur axial est raccordé à
un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une deuxième partie I2 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement est raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve, et au, ou à chaque, conducteur de contournement de ladite cuve, de maniére à ce qu'une fraction Mc du courant Io 3o inférieure à 15 %, et de préférence inférieure à 10 %, est transmise par les montées situées dans la zone centrale de la file.
amont de chaque cuve, une deuxième partie Iv du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté aval de chaque cuve, lesdits conducteurs de liaison comprenant 1o des conducteurs ascendants, appelés "montées", le courant Io provenant de l'ensemble des éléments cathodiques d'une cuve amont étant transmis aux anodes de la cuve aval par l'intermédiaire desdites montées, et est caractérisé en ce qu'au moins un conducteur dit "axial" passe sous chaque cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, c'est-à-dire la zone de chaque cuve située du côté dudit deuxième circuit électrique, en ce qu'au moins un conducteur dit "de contournement"
contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à
transmettre aux dites montées une première pârtie I1 du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur axial est raccordé à
un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une deuxième partie I2 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement est raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve, et au, ou à chaque, conducteur de contournement de ladite cuve, de maniére à ce qu'une fraction Mc du courant Io 3o inférieure à 15 %, et de préférence inférieure à 10 %, est transmise par les montées situées dans la zone centrale de la file.
6 Les zones latérales et centrale de la cuve et de la file sont délimitées par deux plans imaginaires verticaux et parallèles à l'axe de la file. Chacun desdits plans intercepte les cuves de manière à former trois zones correspondant à trois volumes comparables de s masse liquide à l'intérieur de chaque cuve de la file. De préférence, le volume central est compris entre 25 et 40 % du volume total, et de préférence encore entre 30 et 35 du volume total. Le volume exact de chaque zone, ainsi que la répartition exacte du courant sous la cuve, sont fonctions de la structure de la cuve (notamment du nombre de sorties cathodiques) et du mode de fonctionnement de la cuve (notamment de l'épaisseur des talus de bain solidifié sur les bords du creuset de la cuve, ce qui modifie la répartition des masses liquides).
Ledit deuxième circuit électrique, appelé également "file voisine" dans la suite du texte, est généralement sensiblement parallèle à la file et comprend généralement au ls moins une cuve d'électrolyse. Il comprend le plus souvent une file de cuves d'électrolyse, mais il peut éventuellement être constitué uniquement de conducteurs.
En fonctionnement, un courant d'intensité Io' circule dans ledit deuxième circuit.
L'arrangement des cuves est de préférence tel que les courants Io et Io' ont des intensités sensiblement égales et circulent dans des directions opposées l'une de l'autre.
Le partage du courant amont des cuves d'électrolyse entre les conducteurs est fonction de l'intensité du courant de la file Io et de celui de la file voisine Io', ainsi que de la distance entre les deux files de cuves.
Description des figures La figure 1 montre le raccordement électrique entre deux cuves successives d'une file selon l'art antérieur (correspondant au brevet français FR 2 552 782 et au brevet 3o américain US 4 592 821). La direction de la file voisine est indiquée par la flèche FV.
La direction du courant d'électrolyse est indiqué par la flèche Io.
Ledit deuxième circuit électrique, appelé également "file voisine" dans la suite du texte, est généralement sensiblement parallèle à la file et comprend généralement au ls moins une cuve d'électrolyse. Il comprend le plus souvent une file de cuves d'électrolyse, mais il peut éventuellement être constitué uniquement de conducteurs.
En fonctionnement, un courant d'intensité Io' circule dans ledit deuxième circuit.
L'arrangement des cuves est de préférence tel que les courants Io et Io' ont des intensités sensiblement égales et circulent dans des directions opposées l'une de l'autre.
Le partage du courant amont des cuves d'électrolyse entre les conducteurs est fonction de l'intensité du courant de la file Io et de celui de la file voisine Io', ainsi que de la distance entre les deux files de cuves.
Description des figures La figure 1 montre le raccordement électrique entre deux cuves successives d'une file selon l'art antérieur (correspondant au brevet français FR 2 552 782 et au brevet 3o américain US 4 592 821). La direction de la file voisine est indiquée par la flèche FV.
La direction du courant d'électrolyse est indiqué par la flèche Io.
7 La figure 2 illustre les paramètres de répartition du courant dans une file de cuves d'électrolyse selon l'invention. Afin de simplifier la figure, seules deux cuves sont représentées : une cuve amont de rang n et une cuve aval de rang n + 1. Le côté
amont d'une cuve est identifié par les lettres AM ; le côté aval est identifié
par les lettres AV. Les zones latérales et centrale du plan de cuve sont délimitées par deux plans verticaux P1 et PZ parallèles à l'axe A de la file et placés de part et d'autre de cet axe. Les zones latérale intérieure, centrale et latérale extérieure sont identifiées respectivement par les lettres F, C et E. La flèche indique le sens du courant 1o d'électrolyse.
La figure 3 montre le raccordement électrique entre deux cuves successives d'un arrangement selon l'invention. La direction de la file voisine est indiquée par la flèche FV. La direction du courant d'électrolyse est indiqué par la flèche Io.
Description détaillée de l'invention Dans un arrangement de cuves selon l'invention, chaque cuve comprend un caisson (1), généralement en acier, garni intérieurement de matériaux réfractaires isolants, des anodes et des éléments cathodiques. Les anodes et les éléments cathodiques ne sont pas illustrés pour simplifier les figures. Les éléments cathodiques comportent des blocs carbonés et des barres cathodiques scellées dans lesdits blocs ; un élément cathodique comprend généralement une ou deux barres cathodiques. Les barres cathodiques font saillie de chaque côté des cuves et forment lesdites sorties cathodiques amont (3) et aval (4) (le terme "sortie cathodique" désigne l'ensemble des barres cathodiques d'un même élément faisant saillie sur un côté de la cuve).
En général, les éléments cathodiques sont disposés côte à côte dans le sens transversal des cuves. Les anodes, généralement constituées de pâtes carbonées précuites et de tiges d'anodes métalliques scellées dans lesdites pâtes, sont fixées à un croisillon (5) 3o mobile.
amont d'une cuve est identifié par les lettres AM ; le côté aval est identifié
par les lettres AV. Les zones latérales et centrale du plan de cuve sont délimitées par deux plans verticaux P1 et PZ parallèles à l'axe A de la file et placés de part et d'autre de cet axe. Les zones latérale intérieure, centrale et latérale extérieure sont identifiées respectivement par les lettres F, C et E. La flèche indique le sens du courant 1o d'électrolyse.
La figure 3 montre le raccordement électrique entre deux cuves successives d'un arrangement selon l'invention. La direction de la file voisine est indiquée par la flèche FV. La direction du courant d'électrolyse est indiqué par la flèche Io.
Description détaillée de l'invention Dans un arrangement de cuves selon l'invention, chaque cuve comprend un caisson (1), généralement en acier, garni intérieurement de matériaux réfractaires isolants, des anodes et des éléments cathodiques. Les anodes et les éléments cathodiques ne sont pas illustrés pour simplifier les figures. Les éléments cathodiques comportent des blocs carbonés et des barres cathodiques scellées dans lesdits blocs ; un élément cathodique comprend généralement une ou deux barres cathodiques. Les barres cathodiques font saillie de chaque côté des cuves et forment lesdites sorties cathodiques amont (3) et aval (4) (le terme "sortie cathodique" désigne l'ensemble des barres cathodiques d'un même élément faisant saillie sur un côté de la cuve).
En général, les éléments cathodiques sont disposés côte à côte dans le sens transversal des cuves. Les anodes, généralement constituées de pâtes carbonées précuites et de tiges d'anodes métalliques scellées dans lesdites pâtes, sont fixées à un croisillon (5) 3o mobile.
8 Les moyens de raccordement électrique entre les sorties cathodiques et le croisillon comprennent des conducteurs ascendants (ou montées) (6A, 6B, 6B', 6C, 6D, 6D', 6E), des conducteurs axiaux (7), des conducteurs latéraux (8) et des conducteurs de contournement (11A et 11B). Afin de permettre la mobilité du croisillon, les montées sont raccordées au croisillon par l'intermédiaire de conducteurs électriques souples (10A, lOB, lOB', lOC, lOD, lOD', l0E). Le circuit peut comprendre des conducteurs intermédiaires (12, 13, 14A, 14B, 15A, 15B, 16A, 16B, 17A, 17B, 18A, 18B, 19A, 19B, 20A, ZOB, 21) et des conducteurs de liaisons équipotentielles (22, 23A, 23B) pour répartir le courant d'électrolyse dans les montées.
lo L'intensité du courant I1 est de préférence comparable à l'intensité du courant I2, en ce sens qu'elles diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de I1 et I2 (c'est-à-dire (Il + I2)/2).
Le conducteur axial est de préférence unique. De préférence également, le conducteur latéral est unique. II est également avantageux qu'un conducteur de contournement unique (dit conducteur de contournement intérieur) contourne la cuve du côté
intérieur et/ou qu'un conducteur de contournement unique (dit conducteur de contournement extérieur) contourne la cuve du côté extérieur. Ces mesures 2o permettent de mettre en oeuvre l'invention de manière efficace tout en maintenant un circuit électrique relativement simple.
Selon une variante préférée de l'invention, chaque cuve comprend au moins un conducteur de contournement intérieur et au moins un conducteur de contournement extérieur, et l'intensité Ii du courant circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteurs) de contournement intérieur est comparable à l'intensité Ie du courant circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteurs) de contournement extérieur. De préférence, les intensités Ii et Ie diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de Ii et Ie (c'est-à-dire (Ii + Ie)/2).
lo L'intensité du courant I1 est de préférence comparable à l'intensité du courant I2, en ce sens qu'elles diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de I1 et I2 (c'est-à-dire (Il + I2)/2).
Le conducteur axial est de préférence unique. De préférence également, le conducteur latéral est unique. II est également avantageux qu'un conducteur de contournement unique (dit conducteur de contournement intérieur) contourne la cuve du côté
intérieur et/ou qu'un conducteur de contournement unique (dit conducteur de contournement extérieur) contourne la cuve du côté extérieur. Ces mesures 2o permettent de mettre en oeuvre l'invention de manière efficace tout en maintenant un circuit électrique relativement simple.
Selon une variante préférée de l'invention, chaque cuve comprend au moins un conducteur de contournement intérieur et au moins un conducteur de contournement extérieur, et l'intensité Ii du courant circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteurs) de contournement intérieur est comparable à l'intensité Ie du courant circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteurs) de contournement extérieur. De préférence, les intensités Ii et Ie diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de Ii et Ie (c'est-à-dire (Ii + Ie)/2).
9 PCT/FR00/00228 Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, la montée centrale 6C ne porte aucun courant, et est de préférence absente, les montées (6A, 6B, 6B', 6D, 6D', 6E) sont placées symétriquement de part et d'autre du plan axial de la file, hors de ladite zone centrale C, chaque cuve comprend un conducteur axial unique (7), un conducteur latéral unique (8), un premier conducteur de contournement unique ( 11B) du côté de la file voisine, ou "côté intérieur", et un second conducteur de contournement unique (11A) du côté opposé à la file voisine, ou "côté
extérieur".
Aucun courant ne circule sous le caisson dans la zone E située du côté
extérieur de la cuve.
Les montées sont de préférence situées entre les cuves, c'est-à-dire entre les deux côtés adjacents de cuves successives. De préférence, le nombre desdites montées est pair et un nombre égal de montées est placé de chaque côté de l'axe de la file.
De préférence, l'intensité du courant circulant dans le conducteur axial (7) et l'intensité
du courant circulant dans le conducteur latéral (8) sont comparables, c'est-à-dire qu'elles diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de leurs valeurs.
De préférence, les conducteurs de contournement (11A, 11B) transportent également un courant d'une intensité comparable.
De préférence, le, ou chaque, conducteur latéral passant sous la cuve est situé près de l'extrémité de la cuve, et de préférence encore à proximité de la dernière sortie cathodique.
En pratique, les N cuves d'une file comprennent typiquement deux cuves d'extrémité
(à savoir la cuve de rang 1 et la cuve de rang N) qui n'ont pas de cuve amont ou aval, ou dont la cuve amont ou aval n'est pas située à la même distance que les cuves de la file (qui sont généralement équidistantes), ou dont la cuve amont ou aval n'est pas située dans l'axe de la file. Dans ces cas, les conducteurs d'alimentation de la première 3o cuve de la file et/ou les conducteurs de raccordement de la dernière cuve de la file au circuit électrique ou à la file suivante peuvent avoir une configuration différente de celle des conducteurs de liaison entre les N cuves de la file. En particulier, lesdits conducteurs de raccordement de la dernière cuve peuvent ne pas comprendre de montées.
5 Essais comparatifs Des mesures de température ont été réalisées sur un arrangement de cuves selon l'art antérieur le plus proche (figure 1) et sur un arrangement de cuves prototype selon l'invention (figure 3). Dans ces essais, chaque cuve comprenait 20 sorties cathodiques lo de chaque côté, c'est-à-dire 20 sorties du coté amont et 20 sorties du côté
aval.
Chaque sortie cathodique comprenait deux barres cathodiques. Le courant d'électrolyse Io était sensiblement le même dans tous ces essais, à savoir 300 kA. Les files voisines étaient situées à la même distance dans tous les cas, à savoir environ 85 m centre-à-centre. Le courant Io' circulant dans les files voisines était sensiblement égal au courant d'électrolyse Io.
Dans l'arrangement de cuves d'électrolyse de l'art antérieur (figure 1), le courant cathodique des sorties amont (Im) était réparti comme suit dans les conducteurs de transmission : 15 kA dans le conducteur (9A), 7,5 kA dans le conducteur (9B), 22,5 2o kA dans le conducteur (9C), 52,5 kA dans le conducteur (11A) et 52,5 kA
dans le conducteur (11B). Le courant cathodique total de la cuve aval était réparti comme suit dans les montées : 60 kA dans les montées (6A) et (6E), 15 kA dans les montées (6B) et (6D'), 45 kA dans les montées (6B') et (6D), et 60 kA dans la montée centrale (6C). Chaque sortie cathodique transportait un courant sensiblement de même intensité, soit environ 7, 5 kA.
Le nombre de montées était de 7 disposées comme sur la figure 1. Ces montées étaient disposées entre les cuves amont et aval et symétriquement de part et d'autre de l'axe de la file de cuves.
Dans l'arrangement selon l'invention, les conducteurs électriques avaient une configuration similaire à celle illustrée à la figure 3. Les trois zones découpaient le plan de la cuve en trois surfaces sensiblement de mêmes dimensions, c'est-à-dire que les plans P 1 et P2 interceptaient le plan de la cuve de manière à former une zone centrale (C) correspondant à 32 % de la masse liquide et deux zones latérales (une zone E du côté extérieur et une zone F du côté de la file voisine) correspondant chacune à 34 % de la masse liquide (en tenant compte des talus). La zone centrale comprenait 6 sorties cathodiques et chaque zone latérale comprenait 7 sorties cathodiques. Chacune des sorties cathodiques transportait un courant sensiblement de l0 même intensité, soit environ 7,5 kA.
Le courant provenant des sorties cathodiques amont (Im), ou "courant amont", était réparti comme suit dans les conducteurs de transmission : 20,0 kA dans le conducteur axial (7), 25,0 kA dans le conducteur latéral (8), 52,5 kA dans les conducteurs de contournement (11A) et (11B). Cette répartition correspond à : 13,3 % dans le conducteur axial, 16,7 % dans le conducteur latéral, 35 % dans le conducteur de contournement du côté de la file voisine et 35 % dans le conducteur de contournement du côté extérieur.
2o Le courant cathodique total de la cuve aval était réparti comme suit dans les montées 76,5 kA dans les montées (6A) et (6E), 28,0 kA dans les montées (6B) et (6D'), et 45,5 kA dans les montées (6B') et (6D). Le courant ascendant circulant dans la zone centrale était donc nul.
Le nombre de montées était de 6, soit 3 montées dans la zone latérale extérieure et 3 montées dans la zone latérale intérieure (et donc aucune montée dans la zone centrale). Ces montées étaient disposées entre les cuves amont et aval et symétriquement de part et d'autre de l'axe de la file de cuves.
3o Les mesures de température ont été effectuées à l'aide de thermocouples fichés dans la paroi verticale du caisson des cuves et disposés autour du caisson. Dans le cas des cuves de l'art antérieur, les mesures ont été effectuées sur 20 cuves d'une même file.
Dans le cas des cuves selon l'invention, les mesures ont été effectuées sur 3 cuves en file.
Ces essais ont montré que l'arrangement selon l'invention permet d'obtenir une diminution significative de l'écart de température entre les côtés amont et aval de chaque cuve. Typiquement, l'écart entre les valeurs de température mesurées dans la zone centrale côté amont, au niveau de l'interface entre le bain d'électrolyse et le métal liquide, et celles mesurées dans la zone centrale côté aval, également au niveau de l'interface entre le bain d'électrolyse et le métal liquide, observé sur les cuves selon l'invention était inférieur de 25°C ~ 10°C à celui observé sur les cuves selon l'art antérieur.
Avantages de l'invention L'arrangement de cuves selon l'invention permet de modifier avantageusement les files de cuves d'usines existantes sans nécessiter un investissement important.
extérieur".
Aucun courant ne circule sous le caisson dans la zone E située du côté
extérieur de la cuve.
Les montées sont de préférence situées entre les cuves, c'est-à-dire entre les deux côtés adjacents de cuves successives. De préférence, le nombre desdites montées est pair et un nombre égal de montées est placé de chaque côté de l'axe de la file.
De préférence, l'intensité du courant circulant dans le conducteur axial (7) et l'intensité
du courant circulant dans le conducteur latéral (8) sont comparables, c'est-à-dire qu'elles diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de leurs valeurs.
De préférence, les conducteurs de contournement (11A, 11B) transportent également un courant d'une intensité comparable.
De préférence, le, ou chaque, conducteur latéral passant sous la cuve est situé près de l'extrémité de la cuve, et de préférence encore à proximité de la dernière sortie cathodique.
En pratique, les N cuves d'une file comprennent typiquement deux cuves d'extrémité
(à savoir la cuve de rang 1 et la cuve de rang N) qui n'ont pas de cuve amont ou aval, ou dont la cuve amont ou aval n'est pas située à la même distance que les cuves de la file (qui sont généralement équidistantes), ou dont la cuve amont ou aval n'est pas située dans l'axe de la file. Dans ces cas, les conducteurs d'alimentation de la première 3o cuve de la file et/ou les conducteurs de raccordement de la dernière cuve de la file au circuit électrique ou à la file suivante peuvent avoir une configuration différente de celle des conducteurs de liaison entre les N cuves de la file. En particulier, lesdits conducteurs de raccordement de la dernière cuve peuvent ne pas comprendre de montées.
5 Essais comparatifs Des mesures de température ont été réalisées sur un arrangement de cuves selon l'art antérieur le plus proche (figure 1) et sur un arrangement de cuves prototype selon l'invention (figure 3). Dans ces essais, chaque cuve comprenait 20 sorties cathodiques lo de chaque côté, c'est-à-dire 20 sorties du coté amont et 20 sorties du côté
aval.
Chaque sortie cathodique comprenait deux barres cathodiques. Le courant d'électrolyse Io était sensiblement le même dans tous ces essais, à savoir 300 kA. Les files voisines étaient situées à la même distance dans tous les cas, à savoir environ 85 m centre-à-centre. Le courant Io' circulant dans les files voisines était sensiblement égal au courant d'électrolyse Io.
Dans l'arrangement de cuves d'électrolyse de l'art antérieur (figure 1), le courant cathodique des sorties amont (Im) était réparti comme suit dans les conducteurs de transmission : 15 kA dans le conducteur (9A), 7,5 kA dans le conducteur (9B), 22,5 2o kA dans le conducteur (9C), 52,5 kA dans le conducteur (11A) et 52,5 kA
dans le conducteur (11B). Le courant cathodique total de la cuve aval était réparti comme suit dans les montées : 60 kA dans les montées (6A) et (6E), 15 kA dans les montées (6B) et (6D'), 45 kA dans les montées (6B') et (6D), et 60 kA dans la montée centrale (6C). Chaque sortie cathodique transportait un courant sensiblement de même intensité, soit environ 7, 5 kA.
Le nombre de montées était de 7 disposées comme sur la figure 1. Ces montées étaient disposées entre les cuves amont et aval et symétriquement de part et d'autre de l'axe de la file de cuves.
Dans l'arrangement selon l'invention, les conducteurs électriques avaient une configuration similaire à celle illustrée à la figure 3. Les trois zones découpaient le plan de la cuve en trois surfaces sensiblement de mêmes dimensions, c'est-à-dire que les plans P 1 et P2 interceptaient le plan de la cuve de manière à former une zone centrale (C) correspondant à 32 % de la masse liquide et deux zones latérales (une zone E du côté extérieur et une zone F du côté de la file voisine) correspondant chacune à 34 % de la masse liquide (en tenant compte des talus). La zone centrale comprenait 6 sorties cathodiques et chaque zone latérale comprenait 7 sorties cathodiques. Chacune des sorties cathodiques transportait un courant sensiblement de l0 même intensité, soit environ 7,5 kA.
Le courant provenant des sorties cathodiques amont (Im), ou "courant amont", était réparti comme suit dans les conducteurs de transmission : 20,0 kA dans le conducteur axial (7), 25,0 kA dans le conducteur latéral (8), 52,5 kA dans les conducteurs de contournement (11A) et (11B). Cette répartition correspond à : 13,3 % dans le conducteur axial, 16,7 % dans le conducteur latéral, 35 % dans le conducteur de contournement du côté de la file voisine et 35 % dans le conducteur de contournement du côté extérieur.
2o Le courant cathodique total de la cuve aval était réparti comme suit dans les montées 76,5 kA dans les montées (6A) et (6E), 28,0 kA dans les montées (6B) et (6D'), et 45,5 kA dans les montées (6B') et (6D). Le courant ascendant circulant dans la zone centrale était donc nul.
Le nombre de montées était de 6, soit 3 montées dans la zone latérale extérieure et 3 montées dans la zone latérale intérieure (et donc aucune montée dans la zone centrale). Ces montées étaient disposées entre les cuves amont et aval et symétriquement de part et d'autre de l'axe de la file de cuves.
3o Les mesures de température ont été effectuées à l'aide de thermocouples fichés dans la paroi verticale du caisson des cuves et disposés autour du caisson. Dans le cas des cuves de l'art antérieur, les mesures ont été effectuées sur 20 cuves d'une même file.
Dans le cas des cuves selon l'invention, les mesures ont été effectuées sur 3 cuves en file.
Ces essais ont montré que l'arrangement selon l'invention permet d'obtenir une diminution significative de l'écart de température entre les côtés amont et aval de chaque cuve. Typiquement, l'écart entre les valeurs de température mesurées dans la zone centrale côté amont, au niveau de l'interface entre le bain d'électrolyse et le métal liquide, et celles mesurées dans la zone centrale côté aval, également au niveau de l'interface entre le bain d'électrolyse et le métal liquide, observé sur les cuves selon l'invention était inférieur de 25°C ~ 10°C à celui observé sur les cuves selon l'art antérieur.
Avantages de l'invention L'arrangement de cuves selon l'invention permet de modifier avantageusement les files de cuves d'usines existantes sans nécessiter un investissement important.
Claims (11)
1. Arrangement de cuves d'électrolyse, pour la production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult à l'aide d'un courant d'électrolyse d'intensité Io, comprenant au moins une première file de cuves d'électrolyse, formant un premier circuit électrique, et au moins un deuxième circuit électrique situé à une distance moyenne déterminée de ladite première file, ladite première file comprenant N cuves disposées en travers et des conducteurs de liaison pour transmettre ledit courant d'électrolyse Io d'une cuve de ladite file, dite cuve amont, à la cuve suivante de ladite file, dite cuve aval, chaque cuve comprenant un caisson métallique, des éléments de revêtement intérieur, des anodes et des éléments cathodiques, lesdits éléments cathodiques étant munies de sorties cathodiques de raccordement faisant saillie du côté amont et du côté aval du caisson de chaque cuve, une première partie Im du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté amont de chaque cuve, une deuxième partie Iv du courant Io sortant par les sorties cathodiques faisant saillie du côté
aval de chaque cuve, lesdits conducteurs de liaison comprenant des conducteurs ascendants, appelés "montées", le courant Io provenant de l'ensemble des éléments cathodiques d'une cuve amont étant transmis aux anodes de la cuve aval par l'intermédiaire desdites montées, ledit arrangement étant caractérisé en ce qu'au moins un conducteur dit "axial" passe sous chaque cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, c'est-à-dire la zone de chaque cuve située du côté dudit deuxième circuit électrique, en ce qu'au moins un conducteur dit "de contournement" contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une première partie Il du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur axial est raccordé à un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une deuxième partie I2 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement est raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté
amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve et au, ou à chaque, conducteur de contournement de ladite cuve, de manière à ce qu'une fraction Mc du courant Io inférieure à 15 % est transmise par les montées situées dans la zone centrale de ladite file.
aval de chaque cuve, lesdits conducteurs de liaison comprenant des conducteurs ascendants, appelés "montées", le courant Io provenant de l'ensemble des éléments cathodiques d'une cuve amont étant transmis aux anodes de la cuve aval par l'intermédiaire desdites montées, ledit arrangement étant caractérisé en ce qu'au moins un conducteur dit "axial" passe sous chaque cuve amont, dans la zone centrale, en ce qu'au moins un conducteur dit "latéral" passe sous chaque cuve amont, dans la zone latérale intérieure, c'est-à-dire la zone de chaque cuve située du côté dudit deuxième circuit électrique, en ce qu'au moins un conducteur dit "de contournement" contourne chaque cuve amont, en ce que le ou chaque conducteur latéral est raccordé à un premier ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une première partie Il du courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur axial est raccordé à un deuxième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté amont de manière à transmettre aux dites montées une deuxième partie I2 dudit courant Im, comprise entre 10 et 20 % dudit courant Im, en ce que le ou chaque conducteur de contournement est raccordé à un troisième ensemble desdites sorties cathodiques situées du côté
amont de manière à transmettre une troisième partie I3 du courant Im, correspondant au reste du courant Im, en ce que lesdites montées sont raccordées aux sorties cathodiques situées du côté aval de la cuve amont correspondante, aux conducteurs passant sous ladite cuve et au, ou à chaque, conducteur de contournement de ladite cuve, de manière à ce qu'une fraction Mc du courant Io inférieure à 15 % est transmise par les montées situées dans la zone centrale de ladite file.
2. Arrangement selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fraction Mc est inférieure à 10 %.
3. Arrangement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les montées se situent entre les deux côtés adjacents de cuves successives.
4. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième circuit comprend au moins une cuve.
5. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le conducteur axial est unique.
6. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conducteur latéral est unique.
7. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'intensité
du courant I1 et l'intensité du courant I2 diffèrent de moins de 15 % par rapport à
la moyenne de I1 et I2.
du courant I1 et l'intensité du courant I2 diffèrent de moins de 15 % par rapport à
la moyenne de I1 et I2.
8. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque cuve comprend un seul conducteur de contournement.
9. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque cuve comprend au moins un conducteur de contournement intérieur et au moins un conducteur de contournement extérieur, et en ce que l'intensité du courant Ii circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteur(s) de contournement intérieur et l'intensité du courant Ie circulant dans le, ou l'ensemble des, conducteur(s) de contournement extérieur diffèrent de moins de 15 % par rapport à la moyenne de Ii et Ie.
10. Arrangement selon l'une des revendications 1 à 7 et 9, caractérisé en ce que chaque cuve comprend un seul conducteur de contournement du côté extérieur et un seul conducteur de contournement du côté intérieur.
11. Usine d'électrolyse comprenant au moins un arrangement de cuves d'électrolyse selon les revendications 1 à 10.
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