CA2463599A1 - Procede de regulation d'une cellule d'electrolyse pour la production d'aluminium - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolys e (1) destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée qui permette un contrôle précis, dans le temps et éventuellement dans l'espace, et fiable de la quantité d'alumine dissoute dans le bain d'électrolyte (13). Le procédé d e régulation selon l'invention est caractrésisé en ce qu'il comprend: a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain (13) ; b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumin e ajoutée que se dissout rapidement dans le bain (13); c) la détermination de la quantité .DELTA.Q d'alumine ajoutée qui ne se dissout pas repidement dans le bain (13); d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage et/ou d'au moins u ne opération de pilotage, et/ou au mins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité .DELTA.Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à une valeur inférieure à une valeur de référence S. Dans une version avantageuse de l'invention, l'indicateur A est déterminé pa r l'analyse d'au moins une mesure électrique sur la cellule.
Description
PROCEDE DE REGULATION D'UNE CELLULE D'ELECTROLYSE POUR
LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de régulation d'une cellule de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de cryolithe fondue, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Etat de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain à base de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyte, notamment selon le procëdé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites « cuves d'électrolyse », 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 sont partiellement immergées dans le bain d' électrolyte. Les anodes sont typiquement en matériau carboné, même si elles peuvent également être constituées, en tout ou partie, d'un matériau dit « inerte », tel qu'un matériau métallique ou composite céramique/métal (ou « cermet »). L'expression « cellule d'électrolyse »
désigne normalement l'ensemble comprenant une cuve d'électrolyse et une ou plusieurs anodes.
Le courant d'électrôlyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe d'aluminium liquides 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'électrolyte à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine résultant des réactions d'électrolyse.
LA PRODUCTION D'ALUMINIUM
Domaine de l'invention L'invention concerne un procédé de régulation d'une cellule de production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans un électrolyte à base de cryolithe fondue, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Etat de la technique L'aluminium métal est produit industriellement par électrolyse ignée, à savoir par électrolyse de l'alumine en solution dans un bain à base de cryolithe fondue, appelé
bain d'électrolyte, notamment selon le procëdé bien connu de Hall-Héroult. Le bain d'électrolyte est contenu dans des cuves, dites « cuves d'électrolyse », 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 sont partiellement immergées dans le bain d' électrolyte. Les anodes sont typiquement en matériau carboné, même si elles peuvent également être constituées, en tout ou partie, d'un matériau dit « inerte », tel qu'un matériau métallique ou composite céramique/métal (ou « cermet »). L'expression « cellule d'électrolyse »
désigne normalement l'ensemble comprenant une cuve d'électrolyse et une ou plusieurs anodes.
Le courant d'électrôlyse, qui circule dans le bain d'électrolyte et la nappe d'aluminium liquides 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'électrolyte à une température de l'ordre de 950 °C par effet Joule. La cellule d'électrolyse est régulièrement alimentée en alumine de manière à compenser la consommation en alumine résultant des réactions d'électrolyse.
2 La productivité et le rendement Faraday d'une cellule d'électrolyse sont influencés par plusieurs facteurs, tels que l'intensité et la répartition du courant d'électrolyse, ~a température du bain, la teneur en alumine dissoute et l'acidité du bain d'électrolyte, etc, qui interagissent les uns avec les autres. Par exemple, la température de fusion d'un bain à base de cryolithe décroît avec l'excès de trifluorure d'aluminium (A1F3) par rapport à la composition nominale (3 NaF . A1F3). La température de fusion est également influencée par la présence de composés tels que CaF2, MgF2 ou LiF.
Dans les usines modernes, les paramètres de fonctionnement sont ajustés de manière à
viser des rendements Faraday supérieurs à 90 %.
La conduite d'une cellule d'électrolyse nécessite donc de contrôler précisément ses paramètres de fonctionnement, tels que sa température, la teneur en alumine, l'aciditë; etc, de manière à les maintenir à des valeurs de consigne déterminées.
Plusieurs procédés de régulation ont étë développés afin d'atteindre cet objectif. Ces procédés portent généralement soit sur la régulation de la teneur en alumine du bain d'électrolyte, soit sur la régulation de sa température, soit sur la régulation de son acidité, c'est-à-dire l'excès d'A1F3.
Un des facteurs essentiels permettant d'assurer la régularité de marche d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse ct'alumme aissoute aans un oay d'électrolyse fondu à base de cryolithe, est le maintien d'une teneur appropriée en alumine dissoute dans cet électrolyte et par conséquent l'adaptation des quantite's d'alumine introduites dans le bain à la consommation d'alumine de la cuve.
Un excès d'alumine crée un risque d'encrassement du fond de la cuve par des dépôts d' alumine non dissoute pouvant se transformer en plaques dures qui sont susceptibles d' isoler électriquement une partie de la cathode. Ce phénomène favorise alors la formation dans le métal des cuves de courants électriques horizontaux très forts qui, par interaction avec les champs magnétiques brassent la nappe de mëtal et 3f provoquent une instabilité de l'interface bain-métal.
Dans les usines modernes, les paramètres de fonctionnement sont ajustés de manière à
viser des rendements Faraday supérieurs à 90 %.
La conduite d'une cellule d'électrolyse nécessite donc de contrôler précisément ses paramètres de fonctionnement, tels que sa température, la teneur en alumine, l'aciditë; etc, de manière à les maintenir à des valeurs de consigne déterminées.
Plusieurs procédés de régulation ont étë développés afin d'atteindre cet objectif. Ces procédés portent généralement soit sur la régulation de la teneur en alumine du bain d'électrolyte, soit sur la régulation de sa température, soit sur la régulation de son acidité, c'est-à-dire l'excès d'A1F3.
Un des facteurs essentiels permettant d'assurer la régularité de marche d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse ct'alumme aissoute aans un oay d'électrolyse fondu à base de cryolithe, est le maintien d'une teneur appropriée en alumine dissoute dans cet électrolyte et par conséquent l'adaptation des quantite's d'alumine introduites dans le bain à la consommation d'alumine de la cuve.
Un excès d'alumine crée un risque d'encrassement du fond de la cuve par des dépôts d' alumine non dissoute pouvant se transformer en plaques dures qui sont susceptibles d' isoler électriquement une partie de la cathode. Ce phénomène favorise alors la formation dans le métal des cuves de courants électriques horizontaux très forts qui, par interaction avec les champs magnétiques brassent la nappe de mëtal et 3f provoquent une instabilité de l'interface bain-métal.
3 A l'inverse un défaut d'alumine peut notamment provoquer l'apparition de "
l'effet d'anode ", c'est-à-dire la polarisation d'une anode, avec montée brutale de la tension aux bornes de la cellule et dégagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés (CFX), dont la forte capacité d'absorption des rayons infrarouges favorise l' effet de serre.
La nécessité de maintenir la teneur en alumine dissoute dans l'électrolyte dans des A
limites précises et relativement étroites, donc d'adapter les apports d'alumine aux besoins de la cellule, a donc conduit l'homme de l'art à développer des procédés automatiques d'alimentation et de régulation en alumine des cuves d'électrolyse.
Cette nécessité est devenue une obligation avec l'utilisation des bains d'électrolyse dits « acides » (à teneur élevée en A1F3) permettant d'abaisser la température de fonctionnement de la cuve de 10 à 15°C (950°C environ au lieu de 965°C
habituellement), voire inférieure à 950°C par l'ajout de composés tels que CaF2, MgFa ou LiF, et d'atteindre ainsi des rendements Faraday d'au moins 94 %. En effet, il est alors indispensable de pouvoir régler la teneur en alumine dans une plage de concentration très précise et très étroite (typiquement de 1 % à 3,5 %, et de préfërence entre 1,5 et 2,5 %, dans les cellules comprenant des anodes en matériau carboné), compte tenu de la diminution du taux de solubilité de l'alumine liée à la nouvelle composition ainsi qu'à l'abaissement de la température du bain.
Dans les procëdés industriels, il est connu d'avoir recours à une évaluation indirecte des teneurs en alumine en suivant un paramètre ëlectrique représentatif de la concentration en alumine dudit électrolyte. Ce paramètre est généralement la variation de la résistance R aux bornes de la cuve alimentée sous une tension U, incluant une force contre-ëlectromotrice E évaluée par exemple à 1,65 volt et traversée par un courant I de sorte que R = (U - E) / I. Typiquement, les procédës de régulation de la teneur en alumine consistent à moduler l' alimentation en alumine en fonction de la valeur de R et de son évolution dans le temps. Ce principe de base a fait l'objet de nombreux brevets jusqu'à tout récemment (voir par exemple la demande française FR 2 749 858 correspondant au brevet américain US 6 033 550).
l'effet d'anode ", c'est-à-dire la polarisation d'une anode, avec montée brutale de la tension aux bornes de la cellule et dégagement en quantité importante de produits fluorés et fluoro-carbonés (CFX), dont la forte capacité d'absorption des rayons infrarouges favorise l' effet de serre.
La nécessité de maintenir la teneur en alumine dissoute dans l'électrolyte dans des A
limites précises et relativement étroites, donc d'adapter les apports d'alumine aux besoins de la cellule, a donc conduit l'homme de l'art à développer des procédés automatiques d'alimentation et de régulation en alumine des cuves d'électrolyse.
Cette nécessité est devenue une obligation avec l'utilisation des bains d'électrolyse dits « acides » (à teneur élevée en A1F3) permettant d'abaisser la température de fonctionnement de la cuve de 10 à 15°C (950°C environ au lieu de 965°C
habituellement), voire inférieure à 950°C par l'ajout de composés tels que CaF2, MgFa ou LiF, et d'atteindre ainsi des rendements Faraday d'au moins 94 %. En effet, il est alors indispensable de pouvoir régler la teneur en alumine dans une plage de concentration très précise et très étroite (typiquement de 1 % à 3,5 %, et de préfërence entre 1,5 et 2,5 %, dans les cellules comprenant des anodes en matériau carboné), compte tenu de la diminution du taux de solubilité de l'alumine liée à la nouvelle composition ainsi qu'à l'abaissement de la température du bain.
Dans les procëdés industriels, il est connu d'avoir recours à une évaluation indirecte des teneurs en alumine en suivant un paramètre ëlectrique représentatif de la concentration en alumine dudit électrolyte. Ce paramètre est généralement la variation de la résistance R aux bornes de la cuve alimentée sous une tension U, incluant une force contre-ëlectromotrice E évaluée par exemple à 1,65 volt et traversée par un courant I de sorte que R = (U - E) / I. Typiquement, les procédës de régulation de la teneur en alumine consistent à moduler l' alimentation en alumine en fonction de la valeur de R et de son évolution dans le temps. Ce principe de base a fait l'objet de nombreux brevets jusqu'à tout récemment (voir par exemple la demande française FR 2 749 858 correspondant au brevet américain US 6 033 550).
4 Ces procédés de régulation ne prennent pas directement en compte la vitesse de dissolution de l'alumine ajoutée dans l'électrolyte.
Ce mode de régulation permet de maintenir la teneur en alumine du bain dans une plage étroite et faible et ainsi d'obtenir des rendements Faraday de l'ordre de 95 avec des bains acides, en réduisant simultanément et de façon notable la quantité (ou fréquence) des effets d'anode sur les cuves que l'on décompte en nombre d'effets . d'anode par cuvé et par jour (EA/cuve/jour) sous l'appellation « taux d'effet d'anode ».
Les évolutions récentes des technologies de production d'aluminium par électrolyse en milieu ignée ont toutefois introduit des contraintes supplémentaires dans le contrôle précis de la quantité d'alumine dissoute dans l'électrolyte. D'une part, l'augmentation de l'intensité nominale des cuves d'électrolyse utilisant des anodes en matériau carboné - par modification ~de cuves existantes ou par le dëveloppement de cuves de nouvelle génération pouvant atteindre ou dépasser 500 kA - s'est accompagné d'une réduction relative importante du volume du bain et une augmentation relative importante du nombre de doses d'alumine introduites dans la cuve. Ces changements ont exacerbé les phénomènes susceptibles de faire varier rapidement la quantité d'alumine dissoute dans le bain. D'autre part, les cuves dotées d'anodes dites inertes, dont le bain peut étre à une température inférieure à
950°C
et/ou dont la concentration d'alumine dissoute peut être supérieure à 3 %, voire davantage, sont également sensibles à la précipitation d'alumine. Dans un tel cas, .les techniques de régulation basées sur la simple mesure de la résistivité sont difficilement applicables car la résistivité varie alors peu avec la concentration en alumine.
Ces différentes évolutions ont accru l'importance d'un contrôle précis et fiable de la quantitë d' alumine dissoute dans le bain. La demanderesse a donc recherché
des solutions à ces difficultés qui soient économiques et susceptibles d'être appliquëes à
une échelle industrielle.
S
Description de l'invention L'invention a pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée, c'est-à-dire par passage de courant dans un bain d'ëlectrolyte à base de cryolite fondue et contenant de l'alumine dissoute, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Le procédé de régulation selon l'invention comporte l'ajout d'alumine dans le bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, et est caractérisé en ce qu'il comprend a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain ;
b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumine qui se dissout rapidement dans le bain ;
c) la détermination de la quantité ~Q d'alumine qui ne se dissout pas rapidement dans le bain ;
d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage et/ou d'au moins une opération de pilotage, et/ou au moins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité ~Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à une valeur inférieure à une valeur de référence S.
L'alumine est typiquement introduite sous forme de doses de quantité Qo connue, délivrées selon une période P par un dispositif automatique ou doseur.
L'indicateur A est avantageusement déterminé à partir d'une mesure électrique sur la cellule d'électrolyse qui est apte à détecter les variations des caractéristiques électriques du bain provoquées par la fraction de l'alumine ajoutée qui est mise en solution dans le bain.
La demanderesse a noté que, de façon surprenante, les ajouts d'alumine produisaient une variation de la tension, sur une échelle de temps de l'ordre de quelques secondes, qui est attribuable à la cinétique de dissolution. Elle a également réalisé
l'importance de la prise en compte des régimes, de dissolution de l' alumine, et notamment des régimes de dissolution rapide et lente.
Le régime de dissolution rapide correspond typiquement aux grains d'alumine qui éclatent en entrant dans le bain (sous l'effet de la forte température et de l'évaporation de l'eau liée chimiquement à l'alumine), dispersant de fines particules d'alumine qui passent immédiatement en suspension dans le bain et de ce fait se dissolvent rapidement dans celui-ci, dans un délai typique de quelques secondes, c'est-à-dire inférieur au temps P marquant l'arrivée de la dose suivante.
Le régime de dissolution lente correspond typiquement aux grains d'alumine qui, lorsqu'ils pénètrent dans le bain, s'agglomèrent en solidifiant le bain alentour, formant une masse solide plus dense que le bain et l'aluminium, qui vient se déposer et s'accumuler sur le fond du creuset. L'alumine ainsi prisonnière ne peut ensuite se dissoudre dans le bain que très lentement et très progressivement sur une longue période de temps, typiquement de plusieurs heures voire de plusieurs jours.
L'indicateur A peut éventuellement être déterminé, en tout ou partie, par échantillonnage ou à l'aide de sondes, typiquement des sondes chimiques, physiques ou physico-chimiques, telles que des sondes optiques (Raman ou autre).
La quantité Q d'alumine qui se dissout rapidement dans le bain peut être déterminée par étalonnage dudit indicateur A, typiquement à l'aide d'une modélisation et/ou de mesures statistiques sur des cellules du même type fonctionnant dans des conditions comparables.
La détermination de la quantité 0Q d' alumine qui ne se dissout pas rapidement dans le bain est typiquement effectuée par soustraction des quantités Qo et Q, c'est-à-dire OQ = Qo - Q. Ce mode de calcul peut être appliqué dans le cas où l'alumine est injectée par doses de quantités Qo connues. La quantité OQ peut, dans certains cas, être déterminée par des méthodes plus élaborées, telles que par calcul intégral numérique, qui tiennent compte, par exemple, des effets thermiques introduits par les ajouts d'alumine, de la position des points de mesure ou de prélèvement, ou d'autres facteurs influant sur cette grandeur.
î
Lesdites modifications d'au moins un moyen de réglage de la cellule et/ou d'au moins une opération de pilotage peuvent avantageusement être combinées. .
Figures La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse typique utilisant des anodes précuites en matériau carboné.
La figure 2 illustre une méthode de mesure de la tension sur une cuve d'électrolyse.
La figure 3 illustre une méthode de détermination de la résistance. électrique spécifique de la cèllule d' électrolyse.
La figure 4 montre des signaux de tension mesurés sur une cellule d'électrolyse. .
Description détaillée de l'invention Tel qu'illustré à la figure l, une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par le procédé d'électrolyse Hall-Héroult comprend typiquement une cuve (20), des anodes (7) supportés par les moyens de fixation (8, 9) à un cadre anodique (10) et des moyens d'alimentation en alumine (l 1). Les moyens de support et de fixation comprennent typiquement au moins une tige (9). La cuve (20) comprend un caisson (2) en acier, des éléments de revêtement intérieur (4, 4a) et des éléments cathodiques (5, 6). Les ëléments de revêtement intérieur (4, 4a) sont généralement des blocs en matériaux rëfractaires, qui peuvent être des , isolants thermiques. Les éléments cathodiques (5, 6) comprennent des barres de raccordement (ou barre cathodique) (6) auxquelles sont fixés les conducteurs électriques servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Les éléments de revêtement (4, 4a) et les éléments cathodiques (5, 6) forment, à
l'intërieur de la cuve, un creuset apte à contenir le bain d'électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours duquel les anodes (7) sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte (13). Le bain d'électrolyte contient de l'alumine dissoute et, en général, une couverture (ou croûte) d'alumine (14) recouvre le bain d'électrolyte. Dans certaines modes de fonctionnement, les parois latérales internes (3) peuvent être recouvertes d'une couche de bain solidifié (15).
Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (13) par l'intermédiaire du cadre anodique (10), des moyens de support et de fixation (8, 9), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6). Les éléments cathodiques comprennent généralement au moins une barre cathodique (6) en métal (typiquement en acier dans le cas des cuves traditionnelles).
L'alimentation en alumine de la cellule a pour but de compenser la consommation sensiblement continue de la cellule qui provient essentiellement de la réduction de l' alumine en aluminium métal. L' alimentation en alumine, qui se fait par aj outs d'alumine dans le bain liquide (13), est en général régulëe indépendamment.
Les moyens d'alimentâtion (11) incluent typiquement des piqueurs-doseurs (19) aptes à
percer la croûte d'alumine (14) et à introduire une dose d'alumine dans l'ouverture (19a) formée dans la croûte d'alumine par le perçage.
L'aluminium métal qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule normalement au fond de la cuve et il s'établit une interface assez nette entre le métal liquide (12) et le bain à base de cryolithe fondue (13). La position de cette interface bain-métal varie au cours du temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métal liquide s'accumule au fond de la cuve et elle s'abaisse lorsque du métal liquide est extrait de la cuve.
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans des bâtiments appelés halls d'électrolyse, et raccordées électriquement en sërie à
l'aide de conducteurs de liaison. Plus précisément, les barres cathodiques (6) d'une cuve dite « amont » sont raccordées électriquement aux anodes (7) d'une cuve dite « aval », typiquement par l'intermédiaire de conducteurs de liaison (16, 17, 18) et des moyens de supports (8, 9, 10) des anodes (7). Les cellules sont typiquement disposées de manière à former deux ou plusieurs files parallèles. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante.
La plupart de ces éléments, au moins dans leur fonction, peuvent se retrouver sur les cuves d'électrolyse utilisant des anodes non-consommables, dites « inertes ».
En production celles-ci dégageront de l'oxygène au lieu du gaz carbonique qui est normalement dégagé par les anodes en matériau carboné. _ Selon l'invention, le procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant une cuve (20), au moins une anode (7), au moins un élément cathodique (5, 6), ladite cuve (20) comportant des parois latérales internes (3) et étant apte à contenir un bain d'électrolyte lïquide (13), ladite cellule (1) comprenant en outre au moins un moyen de réglage de ladite cellule (typiquement un cadre anodique mobile . ( 10) auquel est fixée ladite au moins une anode (7)), ladite cellule (1) étant apte à faire circuler un courant dit d'électrolyse dans ledit bain, ledit courant ayant une intensité
I, l'aluminium produit par ladite réduction formant ëventuellement une nappe dite « nappe de métal liquide » (12) sur le ou les éléments cathodiques (5, 6), comprend l'ajout d'alumine dans ledit bain et est caractérisë en ce qu'il comprend a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain (13) ;
b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumine ajoutëe qui se dissout rapidement dans le bain (13) ;
c) la détermination de la quantité 0Q d'alumine ajoutée qui ne se dissout pas rapidement dans le bain (13) ;
d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage etlou d'au moins une opération de pilotage, et/ou au moins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité 4Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à une valeur inférieure à une valeur de rëféxence S.
La quantité Q d' alumine qui se dissout rapidement dans le bain (régime de dissolution rapide) correspond à la fraction d'alumine qui se dissout dans un délai qui .
est typiquement de l'ordre de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. La quantité d'alumine 0Q qui ne se dissout pas rapidement dans le bain (régime de
Ce mode de régulation permet de maintenir la teneur en alumine du bain dans une plage étroite et faible et ainsi d'obtenir des rendements Faraday de l'ordre de 95 avec des bains acides, en réduisant simultanément et de façon notable la quantité (ou fréquence) des effets d'anode sur les cuves que l'on décompte en nombre d'effets . d'anode par cuvé et par jour (EA/cuve/jour) sous l'appellation « taux d'effet d'anode ».
Les évolutions récentes des technologies de production d'aluminium par électrolyse en milieu ignée ont toutefois introduit des contraintes supplémentaires dans le contrôle précis de la quantité d'alumine dissoute dans l'électrolyte. D'une part, l'augmentation de l'intensité nominale des cuves d'électrolyse utilisant des anodes en matériau carboné - par modification ~de cuves existantes ou par le dëveloppement de cuves de nouvelle génération pouvant atteindre ou dépasser 500 kA - s'est accompagné d'une réduction relative importante du volume du bain et une augmentation relative importante du nombre de doses d'alumine introduites dans la cuve. Ces changements ont exacerbé les phénomènes susceptibles de faire varier rapidement la quantité d'alumine dissoute dans le bain. D'autre part, les cuves dotées d'anodes dites inertes, dont le bain peut étre à une température inférieure à
950°C
et/ou dont la concentration d'alumine dissoute peut être supérieure à 3 %, voire davantage, sont également sensibles à la précipitation d'alumine. Dans un tel cas, .les techniques de régulation basées sur la simple mesure de la résistivité sont difficilement applicables car la résistivité varie alors peu avec la concentration en alumine.
Ces différentes évolutions ont accru l'importance d'un contrôle précis et fiable de la quantitë d' alumine dissoute dans le bain. La demanderesse a donc recherché
des solutions à ces difficultés qui soient économiques et susceptibles d'être appliquëes à
une échelle industrielle.
S
Description de l'invention L'invention a pour objet un procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse destinée à la production d'aluminium par électrolyse ignée, c'est-à-dire par passage de courant dans un bain d'ëlectrolyte à base de cryolite fondue et contenant de l'alumine dissoute, notamment selon le procédé Hall-Héroult.
Le procédé de régulation selon l'invention comporte l'ajout d'alumine dans le bain d'électrolyte d'une cellule d'électrolyse, et est caractérisé en ce qu'il comprend a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain ;
b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumine qui se dissout rapidement dans le bain ;
c) la détermination de la quantité ~Q d'alumine qui ne se dissout pas rapidement dans le bain ;
d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage et/ou d'au moins une opération de pilotage, et/ou au moins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité ~Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à une valeur inférieure à une valeur de référence S.
L'alumine est typiquement introduite sous forme de doses de quantité Qo connue, délivrées selon une période P par un dispositif automatique ou doseur.
L'indicateur A est avantageusement déterminé à partir d'une mesure électrique sur la cellule d'électrolyse qui est apte à détecter les variations des caractéristiques électriques du bain provoquées par la fraction de l'alumine ajoutée qui est mise en solution dans le bain.
La demanderesse a noté que, de façon surprenante, les ajouts d'alumine produisaient une variation de la tension, sur une échelle de temps de l'ordre de quelques secondes, qui est attribuable à la cinétique de dissolution. Elle a également réalisé
l'importance de la prise en compte des régimes, de dissolution de l' alumine, et notamment des régimes de dissolution rapide et lente.
Le régime de dissolution rapide correspond typiquement aux grains d'alumine qui éclatent en entrant dans le bain (sous l'effet de la forte température et de l'évaporation de l'eau liée chimiquement à l'alumine), dispersant de fines particules d'alumine qui passent immédiatement en suspension dans le bain et de ce fait se dissolvent rapidement dans celui-ci, dans un délai typique de quelques secondes, c'est-à-dire inférieur au temps P marquant l'arrivée de la dose suivante.
Le régime de dissolution lente correspond typiquement aux grains d'alumine qui, lorsqu'ils pénètrent dans le bain, s'agglomèrent en solidifiant le bain alentour, formant une masse solide plus dense que le bain et l'aluminium, qui vient se déposer et s'accumuler sur le fond du creuset. L'alumine ainsi prisonnière ne peut ensuite se dissoudre dans le bain que très lentement et très progressivement sur une longue période de temps, typiquement de plusieurs heures voire de plusieurs jours.
L'indicateur A peut éventuellement être déterminé, en tout ou partie, par échantillonnage ou à l'aide de sondes, typiquement des sondes chimiques, physiques ou physico-chimiques, telles que des sondes optiques (Raman ou autre).
La quantité Q d'alumine qui se dissout rapidement dans le bain peut être déterminée par étalonnage dudit indicateur A, typiquement à l'aide d'une modélisation et/ou de mesures statistiques sur des cellules du même type fonctionnant dans des conditions comparables.
La détermination de la quantité 0Q d' alumine qui ne se dissout pas rapidement dans le bain est typiquement effectuée par soustraction des quantités Qo et Q, c'est-à-dire OQ = Qo - Q. Ce mode de calcul peut être appliqué dans le cas où l'alumine est injectée par doses de quantités Qo connues. La quantité OQ peut, dans certains cas, être déterminée par des méthodes plus élaborées, telles que par calcul intégral numérique, qui tiennent compte, par exemple, des effets thermiques introduits par les ajouts d'alumine, de la position des points de mesure ou de prélèvement, ou d'autres facteurs influant sur cette grandeur.
î
Lesdites modifications d'au moins un moyen de réglage de la cellule et/ou d'au moins une opération de pilotage peuvent avantageusement être combinées. .
Figures La figure 1 représente, en coupe transversale, une cellule d'électrolyse typique utilisant des anodes précuites en matériau carboné.
La figure 2 illustre une méthode de mesure de la tension sur une cuve d'électrolyse.
La figure 3 illustre une méthode de détermination de la résistance. électrique spécifique de la cèllule d' électrolyse.
La figure 4 montre des signaux de tension mesurés sur une cellule d'électrolyse. .
Description détaillée de l'invention Tel qu'illustré à la figure l, une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par le procédé d'électrolyse Hall-Héroult comprend typiquement une cuve (20), des anodes (7) supportés par les moyens de fixation (8, 9) à un cadre anodique (10) et des moyens d'alimentation en alumine (l 1). Les moyens de support et de fixation comprennent typiquement au moins une tige (9). La cuve (20) comprend un caisson (2) en acier, des éléments de revêtement intérieur (4, 4a) et des éléments cathodiques (5, 6). Les ëléments de revêtement intérieur (4, 4a) sont généralement des blocs en matériaux rëfractaires, qui peuvent être des , isolants thermiques. Les éléments cathodiques (5, 6) comprennent des barres de raccordement (ou barre cathodique) (6) auxquelles sont fixés les conducteurs électriques servant à l'acheminement du courant d'électrolyse.
Les éléments de revêtement (4, 4a) et les éléments cathodiques (5, 6) forment, à
l'intërieur de la cuve, un creuset apte à contenir le bain d'électrolyte (13) et une nappe de métal liquide (12) lorsque la cellule est en fonctionnement, au cours duquel les anodes (7) sont partiellement immergées dans le bain d'électrolyte (13). Le bain d'électrolyte contient de l'alumine dissoute et, en général, une couverture (ou croûte) d'alumine (14) recouvre le bain d'électrolyte. Dans certaines modes de fonctionnement, les parois latérales internes (3) peuvent être recouvertes d'une couche de bain solidifié (15).
Le courant d'électrolyse transite dans le bain d'électrolyte (13) par l'intermédiaire du cadre anodique (10), des moyens de support et de fixation (8, 9), des anodes (7) et des éléments cathodiques (5, 6). Les éléments cathodiques comprennent généralement au moins une barre cathodique (6) en métal (typiquement en acier dans le cas des cuves traditionnelles).
L'alimentation en alumine de la cellule a pour but de compenser la consommation sensiblement continue de la cellule qui provient essentiellement de la réduction de l' alumine en aluminium métal. L' alimentation en alumine, qui se fait par aj outs d'alumine dans le bain liquide (13), est en général régulëe indépendamment.
Les moyens d'alimentâtion (11) incluent typiquement des piqueurs-doseurs (19) aptes à
percer la croûte d'alumine (14) et à introduire une dose d'alumine dans l'ouverture (19a) formée dans la croûte d'alumine par le perçage.
L'aluminium métal qui est produit au cours de l'électrolyse s'accumule normalement au fond de la cuve et il s'établit une interface assez nette entre le métal liquide (12) et le bain à base de cryolithe fondue (13). La position de cette interface bain-métal varie au cours du temps : elle s'élève au fur et à mesure que le métal liquide s'accumule au fond de la cuve et elle s'abaisse lorsque du métal liquide est extrait de la cuve.
Plusieurs cellules d'électrolyse sont généralement disposées en ligne, dans des bâtiments appelés halls d'électrolyse, et raccordées électriquement en sërie à
l'aide de conducteurs de liaison. Plus précisément, les barres cathodiques (6) d'une cuve dite « amont » sont raccordées électriquement aux anodes (7) d'une cuve dite « aval », typiquement par l'intermédiaire de conducteurs de liaison (16, 17, 18) et des moyens de supports (8, 9, 10) des anodes (7). Les cellules sont typiquement disposées de manière à former deux ou plusieurs files parallèles. Le courant d'électrolyse passe ainsi en cascade d'une cellule à la suivante.
La plupart de ces éléments, au moins dans leur fonction, peuvent se retrouver sur les cuves d'électrolyse utilisant des anodes non-consommables, dites « inertes ».
En production celles-ci dégageront de l'oxygène au lieu du gaz carbonique qui est normalement dégagé par les anodes en matériau carboné. _ Selon l'invention, le procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant une cuve (20), au moins une anode (7), au moins un élément cathodique (5, 6), ladite cuve (20) comportant des parois latérales internes (3) et étant apte à contenir un bain d'électrolyte lïquide (13), ladite cellule (1) comprenant en outre au moins un moyen de réglage de ladite cellule (typiquement un cadre anodique mobile . ( 10) auquel est fixée ladite au moins une anode (7)), ladite cellule (1) étant apte à faire circuler un courant dit d'électrolyse dans ledit bain, ledit courant ayant une intensité
I, l'aluminium produit par ladite réduction formant ëventuellement une nappe dite « nappe de métal liquide » (12) sur le ou les éléments cathodiques (5, 6), comprend l'ajout d'alumine dans ledit bain et est caractérisë en ce qu'il comprend a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain (13) ;
b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumine ajoutëe qui se dissout rapidement dans le bain (13) ;
c) la détermination de la quantité 0Q d'alumine ajoutée qui ne se dissout pas rapidement dans le bain (13) ;
d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage etlou d'au moins une opération de pilotage, et/ou au moins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité 4Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à une valeur inférieure à une valeur de rëféxence S.
La quantité Q d' alumine qui se dissout rapidement dans le bain (régime de dissolution rapide) correspond à la fraction d'alumine qui se dissout dans un délai qui .
est typiquement de l'ordre de quelques secondes à quelques dizaines de secondes. La quantité d'alumine 0Q qui ne se dissout pas rapidement dans le bain (régime de
5 dissolution lente) correspond à la fraction d'alumine qui se dissout dans un délai qui est typiquement de l'ordre de plusieurs heures à plusieurs jours. Afin de simplifier le procédé de régulation selon l'invention, il est possible de fixer un seuil de temps unique T entre les régimes rapide et lents. Selon cette variante simplifiée, la quantité
Q correspond à la fraction d'alumine qui se dissout dans un délai inférieur ou égal à
10 un seuil de temps déterminë T et la quantité ~Q correspond à la fraction .d'alumine qui se dissout dans un délai supérieur au seuil T. Le seuil de temps T est typiquement compris entre 100 et 1000 secondes.
La quantité OQ peut être utilisée comme indicateur de l'efficacitë de dissolution de l'alumine ajoutée. Cette quantité peut être exprimée en valeur relative, par exemple OQ/Qo ou (Qo - ~Q)/Qo = Q/Qo.
La quantité Qo correspond à un débit, qui peut être continu ou discontinu.
Elle est typiquement exprimée sous forme de doses par unité de temps, typiquement des doses de l'ordre de 1 kg.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit indicateur A est déterminé à partir d'au moins une mesure électrique sur la cellule d'électrolyse (1) qui est apte à détecter les variations des caractéristiques électriques du bain (13) provoquées par la fraction de l'alumine ajoutée qui est mise en solution dans le bain.
En particulier, l'indicateur A peut être déterminé à partir d'une analyse d'une tension U et/ou d'une intensité I mesurées) sur la cellule (1), éventuellement exprimées sous la forme d'une résistance R.
La tension U est avantageusement mesurée entre un collecteur (17) et une montée (16), de préférence dans la partie basse (16a) de la dite montée (tel qu'illustré à la.
figure 2), ce qui permet notamment de limiter le câblage (22) et de faciliter l'accès aux points de mesure de la tension (24, 25).
L'analyse de la tension U et/ou du courant I, ou éventuellement de la résistance R, peut étre effectuée par traitement du signal. Les méthodes connues du traitement du signal peuvent être utilisées pour cette analyse, telles que l'analyse spectrale ou l'analyse temporelle (par exemple, par décomposition en ondelettes ou paquets d'ondelettes, par analyse temps-fréquence ou par analyse synchrone de plusieurs signaux (éventuellement mesurés à plusieurs endroits de la cellule)). Le signal peut être traité en relation avec des informations connues par ailleurs, telles que les ordres d' aj out d' alumine, afin d' ëtablir des corrélations et, éventuellement, de déterminer des fonctions de transfert. Ces donnëes peuvent également être traitées de manière statistique. Par exemple, des signaux de tension marqués par des sauts provenant des ajouts de doses d'alumine peuvent être analysés dans leur forme ,par traitement du signal et dans leur nombre par traitement statistique.
L'indicateur A peut également être déterminé à partir d'une mesure électrique active, telle qu'une mesure de la résistivité du bain (13), qui peut - dans certaines conditions - être effectuée par déplacement des anodes (7) par rapport aux éléments cathodiques (5, 6). Par exemple, l'indicateur A peut être donné par une variation d'une résistance spécifique ORS, qui peut être déterminée par un procédé de mesure comprenant - la détermination d'au moins une première valeur Il pour ladite intensité I
et d'au moins une première valeur Ul pour la chute de tension U aux bornes de ladite cellule (1) ;
- le calcul d'une~première résistance Rl à partir d'au moins lesdites valeurs Il et U1 ;
- le déplacement du cadre anodique (10) d'une distance déterminée ~H, à partir d'une position dite initiale, soit vers le haut (0H étant alors positif), soit vers le bas (OH
étant alors négatif) ;
- la détermination d'au moins une deuxième valeur I2 pour ladite intensité I
et d'au moins une deuxième valeur U2 pour la chute de tension U aux bornes de ladite cellule ( 1 ) ;
- le calcul d'une deuxième résistance R2 à partir d'au moins lesdites valeurs I2 et U2;
- le calcul d'une variation de résistance ~R en utilisant la formule 0R = R2 -R1 ;
- le calcul de ladite variation de la résistance spécifique ORS en utilisant la formule ORS = ~R / OH.
Ire préférence, le procédé de mesure comprend en outre (au moins après la détermination des valeurs de I1, I2, U1 et U2) le déplacement du cadre anodique (10) de façon à le ramener à sa position initiale et à retrouver le réglage initial de la cellule.
Lesdites première et deuxième résistance (Rl et R2) peuvent être calculées en utilisant lâ formule R = (U - Uo) / I; où Uo est une constante typiquement comprise entre 1,6 et 2,0 V. Par exemple Rl et R2 peuvent être données par Rl = (Ul -Uo) /
I1 et R2 = (U2 - Uo) / I2. Selon une variante de l'invention, Rl et R2 peuvent être données par une valeur moyenne obtenue à partir d'un nombre déterminé de valeurs de la tension U et de l'intensité I.
En pratique, il a été trouvé plus simple de donner un ordre de déplacement du cadre anodique (10) pendant un temps déterminé et de mesurer le déplacement du cadre ~H qui en résulte.
Comme le montre la figure 3, la résistance R est typiquement mesurée à l'aide de moyens (23) pour mesurer l'intensité I du courant circulant dans la cellule et de moyens (21, 22) pour mesurer la chute de tension U qui en résulte aux bornes de la cellule (typiquement la chute de tension qui en résulte entre le cadre anodique et les éléments cathodiques de la cellule). Ladite résistance R est généralement calculée à
l'aide de la relation : R = (U - Uo) l I, où Uo est une constante.
Ces mesures de résistances spécifiques SRS peuvent être effectuées à
intervalles réguliers (par exemple toutes les 20 minutes) et exploitées de manière statistique.
Typiquement, le moyen (21) est un voltmètre, le moyen (22) est un conducteur électrique, tel qu'un câble ou un fil électrique, et le moyen (23) est un ampèremètre.
La détermination dudit indicateur A par des mesures électriques présente l'avantage d'être économique et automatisable.
La demanderesse a également eu l'idée que le caractère localisë de la dissolution de l'alumine pouvait être mis en évidence par des mesures électriques séparées sur la cellule, c'est-à dire des mesures électriques en au moins deux endroits différents de la cellule. Typiquement, les mesures de tension pourraient être prises . entre différentes montées (16) et différentes barres cathodiques (6), avantageusement à.
proximité des points d'alimentation en alumine (19a) (par exemple, près des piqueurs-doseurs lorsque ce mode d'introduction de l'alumine est utilisé).
Lesdits ajustement, opération de pilotage et intervention sur la cellule peuvent être des actions à court, moyen et long termes.
Ledit ajustement d'au moins un moyen de réglage de la cellule comprend typiquement au moins une modification de la quantité Qo, c'est-à-dire du débit d'alimentation de la cellule en alumine. Par exemple, la quantité Qo peut être ajustée par une modification de la vitesse d'alimentation (c'est-à-dire par une modification du nombre de doses d'alumine par unité de temps) et/ou par une modification de la dose ajoutée (c'est-à-dire de la quantité d'alumine contenue dans chaque dose). Ces ajustements ont un effet qui est généralement à court terme.
Ledit ajustement peut également comprendre au moins une modification de la position des anodes (7), par exemple par une modification de la position d'un cadre anodique mobile (10), soit vers le haut, soit vers le bas, de manière à
modifier la distance entre les anodes (7) et les élëments cathodiques (5, 6), et plus précisément la distance anode/métal (DAM) lorsque le métal liquide forme une nappe (12) sous les anodes. Cet ajustement, de nature thermique, a un effet qui est généralement à
moyen terme.
Ladite au moins une opération de pilotage comprend par exemple l'ajout d'une quantité déterminée d'A1F3 dans ledit bain d'électrolyte (13). Cette opération a un effet qui est généralement à long terme.
Ladite au moins une intervention peut comprendre un déplacement rapide des anodes (7) apte à modifier les conditions d'interface entre les anodes .et le bain et/ou à
éliminer les bulles de gaz éventuellement présentes sous la surface des anodes.
La valeur de référence S est normalement une valeur très faible, de manière à
fai~°e tendre OQ vers zéro.
La ou les anodes (7) peuvent être des anodes en matériau carboné ou des anodes non-consommables. Les anodes non-consommables peuvent comprendre un matériau mëtallique, un matériau revêtu ou un cermet (c'est-à-dire un composite céramique-métal).
Essai Un essai a ëté réalisé sur une cuve prototype munie d'anodes en matériau carboné
dont l'intensité était de l'ordre de 480 kA. Cette cuve était munie de piqueurs-doseurs capables de percer la croûte d'alumine et d'injecter une dose déterminée de 1 kg d' alumine dans l' ouverture formée par perçage.
Des points de mesure de la tension (24, 25) entre certaines anodes et certaines barres cathodiques ont été fixés sur cette cuve, tel qu'illustré schématiquement à la figure 2.
La tension a été enregistrée en cours d'électrolyse sur une période de 1 mois environ.
Cette tension prësentait des fluctuations temporelles de l'ordre de 10 à 20 mV. Une analyse de ce signal par traitement numérique a mis en ëvidence des décrochements de tension de (ordre de quelques mV à quelques dizaines de mV qui sont attribuables aux ajouts des doses d'alumine par les piqueurs-doseurs (voir la figure 4 qui donne un exemple de tension U mesurée en fonction du temps t). Ces décrochements présentaient également une amplitude et une forme attribuables, au moins en partie, à
cinétique de mise en solution de l'alumine. La demanderesse a eu l'idée d'utiliser ces décrochements comme indicateurs de la quantité d'alumine qui se dissout dans le 5 bain.
Liste des références (1) cellule d'électrolyse 10 (2) caisson (3) paroi latérale interne (4) (4a) ëléments de revêtement intérieur (5) ëlément cathodique
Q correspond à la fraction d'alumine qui se dissout dans un délai inférieur ou égal à
10 un seuil de temps déterminë T et la quantité ~Q correspond à la fraction .d'alumine qui se dissout dans un délai supérieur au seuil T. Le seuil de temps T est typiquement compris entre 100 et 1000 secondes.
La quantité OQ peut être utilisée comme indicateur de l'efficacitë de dissolution de l'alumine ajoutée. Cette quantité peut être exprimée en valeur relative, par exemple OQ/Qo ou (Qo - ~Q)/Qo = Q/Qo.
La quantité Qo correspond à un débit, qui peut être continu ou discontinu.
Elle est typiquement exprimée sous forme de doses par unité de temps, typiquement des doses de l'ordre de 1 kg.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit indicateur A est déterminé à partir d'au moins une mesure électrique sur la cellule d'électrolyse (1) qui est apte à détecter les variations des caractéristiques électriques du bain (13) provoquées par la fraction de l'alumine ajoutée qui est mise en solution dans le bain.
En particulier, l'indicateur A peut être déterminé à partir d'une analyse d'une tension U et/ou d'une intensité I mesurées) sur la cellule (1), éventuellement exprimées sous la forme d'une résistance R.
La tension U est avantageusement mesurée entre un collecteur (17) et une montée (16), de préférence dans la partie basse (16a) de la dite montée (tel qu'illustré à la.
figure 2), ce qui permet notamment de limiter le câblage (22) et de faciliter l'accès aux points de mesure de la tension (24, 25).
L'analyse de la tension U et/ou du courant I, ou éventuellement de la résistance R, peut étre effectuée par traitement du signal. Les méthodes connues du traitement du signal peuvent être utilisées pour cette analyse, telles que l'analyse spectrale ou l'analyse temporelle (par exemple, par décomposition en ondelettes ou paquets d'ondelettes, par analyse temps-fréquence ou par analyse synchrone de plusieurs signaux (éventuellement mesurés à plusieurs endroits de la cellule)). Le signal peut être traité en relation avec des informations connues par ailleurs, telles que les ordres d' aj out d' alumine, afin d' ëtablir des corrélations et, éventuellement, de déterminer des fonctions de transfert. Ces donnëes peuvent également être traitées de manière statistique. Par exemple, des signaux de tension marqués par des sauts provenant des ajouts de doses d'alumine peuvent être analysés dans leur forme ,par traitement du signal et dans leur nombre par traitement statistique.
L'indicateur A peut également être déterminé à partir d'une mesure électrique active, telle qu'une mesure de la résistivité du bain (13), qui peut - dans certaines conditions - être effectuée par déplacement des anodes (7) par rapport aux éléments cathodiques (5, 6). Par exemple, l'indicateur A peut être donné par une variation d'une résistance spécifique ORS, qui peut être déterminée par un procédé de mesure comprenant - la détermination d'au moins une première valeur Il pour ladite intensité I
et d'au moins une première valeur Ul pour la chute de tension U aux bornes de ladite cellule (1) ;
- le calcul d'une~première résistance Rl à partir d'au moins lesdites valeurs Il et U1 ;
- le déplacement du cadre anodique (10) d'une distance déterminée ~H, à partir d'une position dite initiale, soit vers le haut (0H étant alors positif), soit vers le bas (OH
étant alors négatif) ;
- la détermination d'au moins une deuxième valeur I2 pour ladite intensité I
et d'au moins une deuxième valeur U2 pour la chute de tension U aux bornes de ladite cellule ( 1 ) ;
- le calcul d'une deuxième résistance R2 à partir d'au moins lesdites valeurs I2 et U2;
- le calcul d'une variation de résistance ~R en utilisant la formule 0R = R2 -R1 ;
- le calcul de ladite variation de la résistance spécifique ORS en utilisant la formule ORS = ~R / OH.
Ire préférence, le procédé de mesure comprend en outre (au moins après la détermination des valeurs de I1, I2, U1 et U2) le déplacement du cadre anodique (10) de façon à le ramener à sa position initiale et à retrouver le réglage initial de la cellule.
Lesdites première et deuxième résistance (Rl et R2) peuvent être calculées en utilisant lâ formule R = (U - Uo) / I; où Uo est une constante typiquement comprise entre 1,6 et 2,0 V. Par exemple Rl et R2 peuvent être données par Rl = (Ul -Uo) /
I1 et R2 = (U2 - Uo) / I2. Selon une variante de l'invention, Rl et R2 peuvent être données par une valeur moyenne obtenue à partir d'un nombre déterminé de valeurs de la tension U et de l'intensité I.
En pratique, il a été trouvé plus simple de donner un ordre de déplacement du cadre anodique (10) pendant un temps déterminé et de mesurer le déplacement du cadre ~H qui en résulte.
Comme le montre la figure 3, la résistance R est typiquement mesurée à l'aide de moyens (23) pour mesurer l'intensité I du courant circulant dans la cellule et de moyens (21, 22) pour mesurer la chute de tension U qui en résulte aux bornes de la cellule (typiquement la chute de tension qui en résulte entre le cadre anodique et les éléments cathodiques de la cellule). Ladite résistance R est généralement calculée à
l'aide de la relation : R = (U - Uo) l I, où Uo est une constante.
Ces mesures de résistances spécifiques SRS peuvent être effectuées à
intervalles réguliers (par exemple toutes les 20 minutes) et exploitées de manière statistique.
Typiquement, le moyen (21) est un voltmètre, le moyen (22) est un conducteur électrique, tel qu'un câble ou un fil électrique, et le moyen (23) est un ampèremètre.
La détermination dudit indicateur A par des mesures électriques présente l'avantage d'être économique et automatisable.
La demanderesse a également eu l'idée que le caractère localisë de la dissolution de l'alumine pouvait être mis en évidence par des mesures électriques séparées sur la cellule, c'est-à dire des mesures électriques en au moins deux endroits différents de la cellule. Typiquement, les mesures de tension pourraient être prises . entre différentes montées (16) et différentes barres cathodiques (6), avantageusement à.
proximité des points d'alimentation en alumine (19a) (par exemple, près des piqueurs-doseurs lorsque ce mode d'introduction de l'alumine est utilisé).
Lesdits ajustement, opération de pilotage et intervention sur la cellule peuvent être des actions à court, moyen et long termes.
Ledit ajustement d'au moins un moyen de réglage de la cellule comprend typiquement au moins une modification de la quantité Qo, c'est-à-dire du débit d'alimentation de la cellule en alumine. Par exemple, la quantité Qo peut être ajustée par une modification de la vitesse d'alimentation (c'est-à-dire par une modification du nombre de doses d'alumine par unité de temps) et/ou par une modification de la dose ajoutée (c'est-à-dire de la quantité d'alumine contenue dans chaque dose). Ces ajustements ont un effet qui est généralement à court terme.
Ledit ajustement peut également comprendre au moins une modification de la position des anodes (7), par exemple par une modification de la position d'un cadre anodique mobile (10), soit vers le haut, soit vers le bas, de manière à
modifier la distance entre les anodes (7) et les élëments cathodiques (5, 6), et plus précisément la distance anode/métal (DAM) lorsque le métal liquide forme une nappe (12) sous les anodes. Cet ajustement, de nature thermique, a un effet qui est généralement à
moyen terme.
Ladite au moins une opération de pilotage comprend par exemple l'ajout d'une quantité déterminée d'A1F3 dans ledit bain d'électrolyte (13). Cette opération a un effet qui est généralement à long terme.
Ladite au moins une intervention peut comprendre un déplacement rapide des anodes (7) apte à modifier les conditions d'interface entre les anodes .et le bain et/ou à
éliminer les bulles de gaz éventuellement présentes sous la surface des anodes.
La valeur de référence S est normalement une valeur très faible, de manière à
fai~°e tendre OQ vers zéro.
La ou les anodes (7) peuvent être des anodes en matériau carboné ou des anodes non-consommables. Les anodes non-consommables peuvent comprendre un matériau mëtallique, un matériau revêtu ou un cermet (c'est-à-dire un composite céramique-métal).
Essai Un essai a ëté réalisé sur une cuve prototype munie d'anodes en matériau carboné
dont l'intensité était de l'ordre de 480 kA. Cette cuve était munie de piqueurs-doseurs capables de percer la croûte d'alumine et d'injecter une dose déterminée de 1 kg d' alumine dans l' ouverture formée par perçage.
Des points de mesure de la tension (24, 25) entre certaines anodes et certaines barres cathodiques ont été fixés sur cette cuve, tel qu'illustré schématiquement à la figure 2.
La tension a été enregistrée en cours d'électrolyse sur une période de 1 mois environ.
Cette tension prësentait des fluctuations temporelles de l'ordre de 10 à 20 mV. Une analyse de ce signal par traitement numérique a mis en ëvidence des décrochements de tension de (ordre de quelques mV à quelques dizaines de mV qui sont attribuables aux ajouts des doses d'alumine par les piqueurs-doseurs (voir la figure 4 qui donne un exemple de tension U mesurée en fonction du temps t). Ces décrochements présentaient également une amplitude et une forme attribuables, au moins en partie, à
cinétique de mise en solution de l'alumine. La demanderesse a eu l'idée d'utiliser ces décrochements comme indicateurs de la quantité d'alumine qui se dissout dans le 5 bain.
Liste des références (1) cellule d'électrolyse 10 (2) caisson (3) paroi latérale interne (4) (4a) ëléments de revêtement intérieur (5) ëlément cathodique
(6) barre de raccordement ou barre cathodique 15 (7) anode (8) moyen de support d'une anode (9) moyen de support et de fixation d'une anode, dite tige (10) cadre anodique ( 11 ) moyen d' alimentation en alumine (12) nappe de métal liquide (13) bain d'électrolyte (14) couverture (ou croûte) d'alumine (15) couche de bain solidifié
(16) conducteur de liaison (montëe) (16a) partie basse d'une montée (17) conducteur de liaison (collecteur) (18) conducteur de liaison (19) piqueur-doseur (19a) point d'alimentation en alumine (20) cuve (21, 22) moyens pour mesurer une tension (23) moyen pour mesurer une intensité
(24) (25) points de mesure d'une tension électrique
(16) conducteur de liaison (montëe) (16a) partie basse d'une montée (17) conducteur de liaison (collecteur) (18) conducteur de liaison (19) piqueur-doseur (19a) point d'alimentation en alumine (20) cuve (21, 22) moyens pour mesurer une tension (23) moyen pour mesurer une intensité
(24) (25) points de mesure d'une tension électrique
Claims (17)
1. Procédé de régulation d'une cellule d'électrolyse (1) pour la production d'aluminium par réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain d'électrolyte (13) à base de cryolithe, ladite cellule (1) comprenant une cuve (20), au moins une anode (7), au moins un élément cathodique (5, 6), ladite cuve (20) comportant des parois latérales internes (3) et étant apte à contenir un bain d'électrolyte liquide (13), ladite cellule (1) comprenant en outre au moins un moyen de réglage de ladite cellule, ladite cellule (1) étant apte à faire circuler un courant dit d'électrolyse dans ledit bain, ledit courant ayant une intensité
I, ledit procédé comprenant l'ajout d'alumine dans ledit bain et étant caractérisé en ce qu'il comprend :
a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain ;
b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumine correspondant à la fraction d'alumine ajoutée qui se dissout dans le bain dans un délai inférieur ou égal à un seuil de temps T déterminé ;
c) la détermination de la quantité .DELTA.Q d'alumine correspondant à la fraction d'alumine ajoutée qui se dissout dans le bain dans un délai supérieur au seuil de temps T ;
d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage et/ou d'au moins une opération de pilotage, et/ou au moins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité .DELTA.Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à
une valeur inférieure à une valeur de référence S.
I, ledit procédé comprenant l'ajout d'alumine dans ledit bain et étant caractérisé en ce qu'il comprend :
a) la commande de l'ajout d'une quantité déterminée Qo d'alumine dans le bain ;
b) la détermination de la valeur d'un indicateur A de la quantité Q d'alumine correspondant à la fraction d'alumine ajoutée qui se dissout dans le bain dans un délai inférieur ou égal à un seuil de temps T déterminé ;
c) la détermination de la quantité .DELTA.Q d'alumine correspondant à la fraction d'alumine ajoutée qui se dissout dans le bain dans un délai supérieur au seuil de temps T ;
d) l'ajustement d'au moins un moyen de réglage et/ou d'au moins une opération de pilotage, et/ou au moins une intervention sur la cellule, en fonction de la valeur obtenue pour la quantité .DELTA.Q, de façon à la maintenir ou à la ramener à
une valeur inférieure à une valeur de référence S.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le seuil de temps T
est compris entre 100 et 1000 secondes.
est compris entre 100 et 1000 secondes.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'indicateur A est déterminé à partir d'au moins une mesure électrique sur la cellule (1) qui est apte à détecter les variations des caractéristiques électriques du bain (13) provoquées par la fraction de l'alumine ajoutée qui est mise en solution dans le bain.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'indicateur A est déterminé à partir d'une analyse d'une tension U et/ou d'une intensité I
mesurée(s) sur la cellule (1), éventuellement exprimées sous la forme d'une résistance R.
mesurée(s) sur la cellule (1), éventuellement exprimées sous la forme d'une résistance R.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite analyse est effectuée par traitement du signal.
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'indicateur A est déterminé à partir d'une mesure de la résistivité du bain (13), typiquement par déplacement des anodes par rapport au dit au moins un élément cathodique (5, 6).
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que, de manière à déterminer le caractère localisé de la dissolution de l'alumine, la ou les mesures électriques sont effectuées en au moins deux endroits différents de la cellule (1).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'indicateur A est déterminé, en tout ou partie, par échantillonnage ou à
l'aide de sondes, telles que des sondes optiques.
l'aide de sondes, telles que des sondes optiques.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la quantité Q est déterminée par étalonnage dudit indicateur A.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étalonnage est effectué
à l'aide d'une modélisation et/ou de mesures statistiques sur des cellules du même type fonctionnant dans des conditions comparables.
à l'aide d'une modélisation et/ou de mesures statistiques sur des cellules du même type fonctionnant dans des conditions comparables.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que quantité .DELTA.Q d'alumine qui ne se dissout pas dans le bain est effectuée par soustraction des quantités Qo et Q, c'est-à-dire .DELTA.Q = Qo - Q.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit ajustement comprend au moins une modification de la quantité Qo d'alumine ajoutée par unité de temps.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit ajustement comprend au moins une modification de la position de la ou des anodes (7), de manière à modifier la distance entre la ou les anodes (7) et le ou les éléments cathodiques (5, 6).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite au moins une opération de pilotage comprend l'ajout d'une quantité
déterminée d'AlF3 dans ledit bain d'électrolyte (13).
déterminée d'AlF3 dans ledit bain d'électrolyte (13).
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que ladite au moins une intervention peut comprendre un déplacement rapide de la ou des anodes (7) apte à modifier les conditions d'interface entre les anodes et le bain et/ou à éliminer les bulles de gaz éventuellement présentes sous la surface des anodes.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que ladite au moins une anode (7) est choisie parmi les anodes en matériau carboné
et les anodes non-consommables.
et les anodes non-consommables.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdites anodes non-consommables sont choisies parmi les anodes métalliques, les anodes revêtues et les anodes en composite céramique-métal.
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