CH641210A5 - Installation de production industrielle d'aluminium comprenant une pluralite de series de cuves d'electrolyse a haute intensite et procede de mise en action de cette installation. - Google Patents

Description

La présente invention concerne une pluralité de séries de cuves d'électrolyse ignée à haute intensité, disposées en files parallèles entre elles, chaque cuve étant placée en travers par rapport à l'axe de la série. L'invention concerne également un procédé de mise en action de cette installation.

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La production industrielle de l'aluminium s'opère par électrolyse ignée, dans des cuves branchées électriquement en série, d'une solution d'alumine dans de la cryolithe portée à une température de l'ordre de 950 à 1000 °C par l'effet Joule du courant traversant la cuve.

Chaque cuve comprend une cathode rectangulaire formant creuset, dont le fond est constitué par des blocs de carbone scellés sur des barres d'acier dites barres cathodiques, qui servent à évacuer le courant de la cathode vers les anodes de la cuve suivante. Le système anodique, également en carbone, est fixé sous une superstructure dite «croisillon» et relié aux barres cathodiques de la cuve précédente.

Entre le système anodique et la cathode se trouve le bain d'électrolyse, c'est-à-dire la solution d'alumine dans de la cryolithe. L'aluminium produit se dépose sur la cathode. Une couche d'aluminium liquide d'une vingtaine de centimètres d'épaisseur est maintenue en permanence au fond du creuset cathodique pour assurer un effet de volant thermique.

Le creuset étant rectangulaire, les barres anodiques supportant les anodes sont, en général, parallèles à ses grands côtés, alors que les barres cathodiques sont parallèles à ses petits côtés, dits têtes de cuve.

Les cuves sont rangées selon des files, en long ou en travers, suivant que leur grand côté ou leur petit côté est parallèle à l'axe de la file. Les cuves sont branchées électriquement en série, les extrémités de la série étant reliées aux sorties positive et négative d'une sous-station électrique de redressement et de régulation. Chaque série de cuves comprend un certain nombre de files branchées en série, le nombre des files étant, de préférence, pair afin d'éviter des longueurs inutiles de conducteurs.

Le courant électrique, qui parcourt les différents conducteurs: électrolyte, métal liquide, anodes, cathodes, conducteurs de liaison, crée des champs magnétiques importants. Ces champs induisent, dans le bain d'électrolyse et dans le métal fondu contenu dans le creuset, des forces dites de Laplace qui, par les mouvements qu'elles engendrent, sont nuisibles à la bonne marche de la cuve. Le dessin de la cuve et de ses conducteurs de liaison est étudié pour que les champs magnétiques créés par les différentes parties de la cuve et les conducteurs de liaison se compensent: on aboutit ainsi à une cuve ayant pour plan de symétrie le plan vertical parallèle à la file de cuves et passant par le centre du creuset.

Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files voisines. On entend par «file voisine» la file la plus proche de la file considérée et par «champ de la file voisine», la résultante des champs de toutes les files autres que la file considérée.

Dans tout ce qui suit, on désignera, selon les conventions habituelles,

- l'amont et l'aval par référence au sens du courant électrique, dans la série,

- par Bx, By et Bz les composants du champ magnétique selon les axes Ox, Oy et Oz dans un trièdre rectangle direct dont le centre O est le centre du plan cathodique de la cuve, Ox est l'axe longitudinal dans le sens de la cuve, Oy l'axe transversal et Oz l'axe vertical dirigé vers le haut,

- côté intérieur d'une cuve, celui qui est situé vers la file voisine et côté extérieur, celui opposé à la file voisine.

On a déjà décrit antérieurement des procédés pour compenser le champ magnétique induit par la file voisine:

- le brevet français 1 079 131, au nom de la requérante décrit un dispositif de boucle démagnétisante pour atténuer le champ de la file voisine, en faisant revenir, pour chaque file, le courant de retour soit sous la file de cuves, soit au centre de la rangée de deux files de cuves. Ce procédé, quoique efficace, allonge considérablement la longueur des conducteurs.

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- le brevet des Etats-Unis No. 3 616 317 s'applique exclu- positif de la source de courant continu d'électrolyse est bran-sivement à des séries dans lesquelles les cuves dont disposées ché du côté appelé «tête» en 5 et le pôle négatif au côté appelé en long. Il décrit un dispositif consistant à placer, sur le côté «queue» en 6.

externe de séries aménagées en deux files parallèles, un con- La tête de série 5 est connectée au pôle positif du généra-ducteur de compensation parcouru par un courant continu de 5 teur de courant continu d'électrolyse et la queue 6 est connec-sens opposé à celui du courant d'électrolyse dans la série adja- tée au pôle négatif de ce même générateur. Les conducteurs cente, et d'intensité égale à environ 25% du courant d'élec- auxiliaires destinés à compenser le champ de la file voisine trolyse. sont en 7,7', du côté intérieur, et 8,8' du côté extérieur de la sé-

- les brevet français 2 233 060 et 2 343 826, au nom de la rie. On peut les réunir au moyen du connecteur 9. La ligne requérante décrivent également des procédés de compensa- 10 pointillée 10 représente le parcours du courant d'électrolyse. tion du champ magnétique de la file voisine, mais il opèrent On a disposé, le long du côté intérieur des cuves, le conduc-cuve par cuve, et non sur l'ensemble de la file, et ne relèvent teur de compensation 7,7', et le long du côté extérieur des cu-donc pas du même concept inventif. ves, le conducteur de compensation 8,8', l'un et l'autre peuvent

Cependant, ces différents procédés sont, pour la plupart, être alimentés en courant continu, séparément ou par mise en inadaptés à la compensation du champ magnétique induit par 15 série au moyen du conducteur 9 figuré en pointillé, à partir la ou les files voisines dans les installations les plus récentes où d'un redresseur auxiliaire fournissant une intensité pouvant l'intensité peut atteindre et même dépasser 200 000 ampères. aller jusqu'à trente mille ampères, sous une tension relative-

On serait donc conduit, pour conserver au champ de la file ment faible correspondant à la seule chute de tension dans les voisine une valeur acceptable, à augmenter sensiblement la conducteurs qui peut être par exemple, de l'ordre de 10 milli-

distance entre files. Il en résulterait un accroissement inaccep- 20 volts par mètre. La puissance dissipée dans ces conducteurs de table de certaines dépenses: terrain, infrastructure, longueur compensation est donc, au total, très faible par rapport à l'é-

des conducteurs de liaison entre files de cuves qui diminue- nergie d'électrolyse.

ront le gain sur l'investissement permis par l'utilisation de cuves d'ampérage élevé. Sur la figure 3, on a tracé le diagramme des champs ma-

La présente invention a précisément pour but de permet- 25 gnétiques dans le cas où le conducteur de compensation inté-

tre la compensation du champ magnétique de la file voisine rieur 7,7', est le seul alimenté, sous une intensité de 30 KA, le dans les séries de cuves d'électrolyse à très haute intensité, dis- courant circulant dans le sens opposé à celui du courant posées en files parallèles entre elles, chaque cuve étant placée d'électrolyse dans la file voisine, donc, dans le même sens que en travers, sans entraîner les inconvénients qui viennent d'être celui de la file adjacente.

mentionnés. 30 Ce conducteur de compensation 7 crée donc sur chaque

A cet effet, l'installation selon l'invention présente les ca- cuve adjacente (A, B, C, D, E ...) un champ vertical de sens ractéristiques spécifiées dans la revendication 1. constant et opposé à celui du champ créé par la file voisine (S,

Ainsi, cette installation est munie d'au moins un conduc- T, U, V, W...) d'intensité décroissant de façon quasi-hyper-

teur auxiliaire, ce conducteur étant mis en place, sans modifi- ... 2 i i1 . , . , _ ,

cation des cuves existantes, parallèlement à l'axe Ox, dans le 3s bolique car B = -j (B étant le champ magnetiche en 10

plan de l'interface bain-métal, et le plus près possible du cais- TESLA, i l'intensité en kiloampères et d la distance en mè-

son, c'est-à-dire de l'enveloppe métallique externe de la cuve, très), en allant du côté intérieur vers le côté extérieur. En fait,

et l'on fait passer dans ce conducteur, dans un sens conve- ce champ de compensation est dû à la fois au conducteur de nable, un courant continu d'intensité choisie de façon à assu- compensation adjacent 7 et au conducteur de compensation rer la compensation recherchée. 40 équivalent 7' placé sur la file voisine. Il est représenté par la

L'invention va être maintenant décrite en détail en se réfé- courbe G de la figure 3.

rant au dessin annexé, dans lequel: La courbe H, qui est la somme algébrique de F + G, re-

La figure 1 représente schématiquement, en coupe trans- présente le champ résultant.

versale passant par le point O défini plus haut, une cuve d'é- Sur la figure 4, on a tracé le diagramme des champs ma-

lectrolyse disposée en travers par rapport à l'axe de la série, 45 gnétiques dans le cas où le conducteur de compensation ex-

l'axe Ox étant donc perpendiculaire au plan de figure. Le cais- terne 8,8' est le seul alimenté, sous une intensité de 22 KA, le son est en 1, la nappe d'aluminium liquide en 2, l'électrolyte courant circulant dans le sens opposé à celui du courant d'é-

en 3 et le système anodique est en 4. lectrolyse dans la file adjacente, donc dans le même sens que

La figure 2 représente, schématisée, une série de cuves d'é- dans la file voisine.

lectrolyse séparée en deux files parallèles. Pour simplifier le 50 Ce conducteur crée sur chaque cuve adjacente (A, B, C, D,

dessin, on n'a fait figurer que cinq cuves par file (A, B, C, D, E) un champ vertical de sens constant et opposé à celui du

E et S. T, U, V, W) mais, dans la pratique industrielle, il est champ créé par la file voisine et d'intensité décroissant de fa-

fréquent que chaque file comporte une centaine de cuves en ., ... . _ 2i , ,, ^ ,

série Ç°n quasi-hyperbolique (car B = ) en allant du cote exte-

Les figures 3,4 et 5 représentent les diagrammes de com- 55 rieur vers le côté intérieur de la cuve. En fait, ce champ de pensation du champ de la file voisine selon trois variantes de compensation est dû à la fois au conducteur adjacent 8 de l'invention. compensation de la cuve et, d'autre part, au conducteur de

Le champ magnétique créé par une file de cuves sur une compensation équivalent 8' installé sur la file voisine. Ce cuve d'une autre file est vertical. Si M est un point quelconque champ est représenté par la courbe J de la figure 4.

d'une cuve, le champ créé en M par la file voisine est de signe 60 La courbe K qui est la somme algébrique de F 4- J repré-

constant et décroît de façon très légèrement hyperbolique sente le champ résultant.

quand le point M se déplace à partir du petit côté situé le plus Sur la figure 5, on a tracé le diagramme des champs ma-

près de la file voisine vers le petit côté le plus éloigné de la file gnétiques dans le cas où les deux conducteurs de compensa-

voisine. Ce champ est représenté par la courbe F des figures 3, tion 7,7' et 8,8' sont alimentés et mis en série par la jonction 9,

4 et 5, et correspond à une file voisine située du côté des y po- 65 le sens du courant étant dans chacun d'eux le même que dans sitifs. les deux cas précédents et l'intensité fixée à 13 KA.

Sur la figure 2, on a représenté partiellement une série de Ces conducteurs créent sur la cuve un champ vertical de cuves d'électrolyse disposée en deux files parallèles. Le pôle sens constant et opposé à celui créé par la file voisine et dont

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l'intensité est légèrement plus faible au centre de la cuve (sur On vérifie que le rapport de ces deux valeurs B'i/B'e est peu l'axe Ox) que sur ses côtés. différent de - 1.

En fait, ce champ est dû aux deux conducteurs de compen- On choisit alors celle des trois variantes pour laquelle la sation adjacents à la cuve 7, 8 et aux conducteurs de compen- valeur moyenne du champ vertical de la cuve avec la file voi-

sation situés le long de la file voisine T, 8'. s sine et les conducteurs de compensation soit la plus faible pos-

Le champ de compensation est représenté par la courbe L sible en valeur absolue dans chacune des demi-cuves, intér-

de la figure 4 et le champ résultant, somme algébrique de F + ieure et extérieure.

L, est représenté par la courbe N. Pour rendre la figure plus li- C'est-à-dire que si B'i (sans file voisine) est du même signe sible, on a adopté pour l'axe des ordonnées une échelle plus que le champ créé par la file voisine, on adoptera la première grande que pour les figures 3 et 4. io variante (figure 3).

L'intensité sous laquelle vont être alimentés les conduc- Si BT (sans file voisine) est du signe opposé à celui du teurs de compensation, doit être déterminée en vue d'une champ créé par la file voisine, on adoptera la seconde variante compensation optimale; en pratique, la compensation est ob- (figure 4).

tenue avec un courant dont l'intensité ne dépasse pas 20% de Si B'i (sans file voisine) est très faible, par exemple, infé-

l'intensité du courant d'électrolyse. Les conducteurs de com- 15 rieure au dixième du champ créé par la file voisine, on adop-

pensation pouvant être assimilés à des conducteurs infinis, le tera la troisième variante.

champ qu'ils créent sur la cuve en un point M est pratiquement indépendant de l'abscisse de M. Exemple:

Si l'on appelle: On considère une série de cuves d'électrolyse fonctionnant Bf(M) le champ créé par la file voisine en M 20 sous 175 KA disposée en deux files parallèles éloignées de 50 BC(M) le champ créé par les conducteurs de compensation mètres d'axe en axe. La longueur du système anodique est de en M, 8,4 mètres. Les conducteurs de compensation sont placés à 8 le champ total BT(M) sera égal à BF(M) + BC(M). mètres du centre de la cuve, côté intérieur et/ou côté extérieur. La valeur i de l'intensité dans les conducteurs de compen- Le tableau suivant indique les valeurs du champ magnétisation sera choisie de façon que la valeur moyenne de BT sur 25 que vertical total (Bx) selon chacune des variantes mises en le grand axe de la cuve soit nulle, à partir de la relation œuvre.

R=lî B d •

Le champ résultant est représenté par les courbes H, K, N Champ en 10 4 Variante Variante Variante respectivement sur les figures 3,4 et 5. 30 Tesla no 1 no 2 no 3

On dispose donc de trois modes de mise en œuvre du procédé, objet de l'invention, selon que l'un ou l'autre ou les deux Valeur moyenne:

conducteurs de compensation sont alimentés. côté intérier

Avec le mode de mise en œuvre de l'invention, selon la fi- BF 7,3 7,3 7,3

gure 3, que nous appelerons «variante no 1 », la valeur moyen- 35 Bc -9,3 -5,3 -7,0

ne du champ BT est du signe opposé à BF du côté intérieur et BT = BF + Bc -2,0 -2,0 0,3

de même signe que BF du côté intérieur.

Avec le mode de mise en œuvre selon la figure 4, que nous Valeur moyenne:

appelerons «variante no 2», BT est du même signe que BF côté côté extérieur intérieur et du signe opposé côté extérieur. 40 BF 6,7 6,7 6,7

Avec le mode de mise en œuvre selon la figure 5, que nous Bc -4,7 -8,7 -7,0

appelerons «variante no 3», le champ BT est très faible BT = BF + Bc 2,0 2,0 0,3

partout.

Considérons maintenant une cuve en l'absence de file voi- Intensité dans le ou 30 KA 22 K A 13 K A sine: les conducteurs d'alimentation de la cuve ainsi que la 45 les conducteurs de cuve elle-même sont symétriques par rapport au plan xoz. Il compensation en résulte que la composante verticale du champ de la cuve sans file voisine est antisymétrique en y, c'est-à-dire que si l'on L'expérience montre que l'effet d'aimantation (c'est-à-change y en -y, Bz se change en -Bz. En considérant la cuve dire l'effet d'écran produit par les masses ferromagnétiques coupée suivant son axe transversal, la valeur moyenne de Bz 50 constituées par le caisson, la superstructure, les barres catho-sur un côté de la cuve (par exemple du côté des y négatifs) est diques et éventuellement le bâtiment), sur le champ créé par la égale et de signe opposé à la valeur moyenne de Bz sur l'autre file voisine d'une part et sur le champ créé par les conducteurs côté. . , . de compensation, d'autre part, est tel que la valeur de l'inten-

Un critère bien connu de bon fonctionnement des cuves sité correspond à l'annulation de l'intégrale du champ réel: est que la valeur moyenne de Bz soit la plus faible possible. Le 55 choix entre l'une des trois variantes de mise en œuvre du procédé selon l'invention se fait alors de la façon suivante: r Qß„ = 0

On mesure la valeur moyenne du champ vertical de la cuve dans la série pour la moitié intérieure et pour la moitié extérieure de la cuve, soit Bi (cuve + file voisine) et Be (cuve ßo + file voisine). On calcule ce que seraient ces valeurs moyen-

nes en l'absence de file voisine: soit B'i (sans file voisine) et B'e est peu différente de celle que donnerait le calcul en négligeant (sans file voisine). l'effet d'aimantation.

C

2 feuilles dessins

Claims (9)

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   ->

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   REVENDICATIONS

   1. Installation de production industrielle d'aluminium, comprenant une pluralité de séries de cuve d'électrolyse à haute intensité, disposées en files parallèles entre elles, chaque cuve étant placée en travers par rapport à l'axe de la série, ca- 5 ractérisée en ce qu'un conducteur de compensation du champ magnétique induit par la file voisine est disposé le long de chaque file, du côté intérieur et/ou du côté extérieur, ce conducteur étant situé sensiblement dans le plan de la nappe d'aluminium liquide et à proximité immédiate du caisson métallique io desdites cuves.
2. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur de compensation intérieur est alimenté par un courant continu circulant dans le même sens que le courant d'électrolyse de la file adjacente, et en sens inverse du 15 courant d'électrolyse de la file voisine.
3. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur de compensation extérieur est alimenté par un courant continu circulant en sens inverse du courant d'électrolyse de la file adjacente et dans le même sens que le cou- 20 rant d'électrolyse de la file voisine.
4. 4. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur de compensation intérieur et le conducteur de compensation extérieur sont connectés en série et alimentés par un courant continu circulant, dans le conducteur intérieur, dans le même sens que le courant d'électrolyse de la file adjacente et, dans le conducteur extérieur, dans le sens inverse du courant d'électrolyse de la file adjacente.
5. 5. Procédé de mise en action de l'installation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait passer un courant30 continu dans le ou les conducteur(s) de compensation, de façon à compenser le champ magnétique induit par la file voisine.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'intensité i du courant, circulant dans le conducteur de com- 35

   pensation est déterminée, à partir de la relation B = ^ d

   étant la distance du conducteur au grand axe de façon que la moyenne du champ magnétique total BT soit nulle sur le grand axe de la cuve.
7. 7. Procédé selon la revendication 5, pour la mise en action de l'installation selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on alimente uniquement le conducteur intérieur lorsque la valeur moyenne B'i du champ vertical en l'absence de file voisine dans la demi-cuve côté intérieur est du même signe que le 45 champ BF créé par la file voisine.
8. 8. Procédé selon la revendication 5 pour la mise en action de l'installation selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on alimente uniquement le conducteur extérieur lorsque la 30 valeur moyenne B' i du champ vertical en l'absence de file voisine dans la demi-cuve côté intérieur est du signe opposé au champ BF créé par la file voisine.
9. 9. Procédé selon la revendication 5 pour la mise en action de l'installation selon la revendication 4, caractérisé en ce que le conducteur intérieur et le conducteur extérieur sont mis en série et alimentés en courant continu lorsque la valeur moyenne B' i du champ vertical en l'absence de file voisine dans la demi-cuve côté intérieur est approximativement égale ou inférieure au l/10e du champ BF créé par la file voisine.

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