CH643601A5 - INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF ALUMINUM, COMPRISING HIGH-INTENSITY ELECTROLYSIS TANKS CONNECTED IN SERIES WITH THEIR SYMMETRIC VERTICAL MAGNETIC FIELD. - Google Patents
INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF ALUMINUM, COMPRISING HIGH-INTENSITY ELECTROLYSIS TANKS CONNECTED IN SERIES WITH THEIR SYMMETRIC VERTICAL MAGNETIC FIELD. Download PDFInfo
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- C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
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Description
La présente invention concerne une installation pour la production d'aluminium par électrolyse d'alumine dissoute dans la cryolithe fondue, cette installation comportant des cuves d'électrolyse à haute intensité, connectées en série et placées en travers par rapport à l'axe de la série, la composante verticale du champ magnétique de ces cuves étant rendue symétrique. The present invention relates to an installation for the production of aluminum by electrolysis of alumina dissolved in molten cryolite, this installation comprising high intensity electrolysis cells, connected in series and placed crosswise with respect to the axis of the series, the vertical component of the magnetic field of these tanks being made symmetrical.
Pour la bonne compréhension de ce qui suit, on rappelle que la production industrielle de l'aluminium s'opère par électrolyse ignée, dans des cuves connectées 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. For the proper understanding of the following, it is recalled that the industrial production of aluminum takes place by igneous electrolysis, in cells electrically connected in series, of an alumina solution in cryolite brought to a temperature of around 950 to 1000 ° C by the Joule effect of the current passing through the tank.
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. Each tank comprises a rectangular cathode forming a crucible, the bottom of which consists of carbon blocks sealed on steel bars, called cathode bars, which serve to evacuate the current from the cathode to the anodes of the next tank.
Les anodes, également en carbone, sont scellées sur des tiges fortement serrées sur des barres en aluminium, dites barres anodiques, fixées sur une superstructure qui surplombe le creuset de la cuve. Ces barres anodiques sont reliées par des conducteurs en aluminium dits montés aux barres cathodiques de la cuve précédente. The anodes, also made of carbon, are sealed on rods tightly clamped on aluminum bars, called anode bars, fixed on a superstructure which overhangs the crucible of the tank. These anode bars are connected by so-called aluminum conductors mounted to the cathode bars of the previous tank.
Entre les anodes 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, un volant d'aluminium étant constamment maintenu au fond du creuset cathodique. Between the anodes and the cathode is the electrolysis bath, that is to say the solution of alumina in cryolite. The aluminum produced is deposited on the cathode, an aluminum flywheel being constantly maintained at the bottom of the cathode crucible.
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. The crucible being rectangular, the anode bars supporting the anodes are, in general, parallel to its long sides, while the cathode bars are parallel to its short sides, called tank heads.
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. The tanks are arranged in rows, long or crosswise, depending on whether their long side or their short side is parallel to the axis of the row. The tanks are electrically connected in series, the ends of the series being connected to the positive and negative outputs of an electrical rectification and regulation substation. Each series of tanks comprises a certain number of lines connected in series, the number of lines being preferably even in order to avoid unnecessary lengths of conductors.
Le courant électrique qui parcourt les différents conducteurs, électrolyte, métal liquide, anodes, cathodes et 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. The electric current which flows through the various conductors, electrolyte, liquid metal, anodes, cathodes and connecting conductors, creates significant magnetic fields. These fields induce, in the electrolysis bath and in the molten metal contained in the crucible, so-called Laplace forces which, by the movements which they generate, are detrimental to the proper functioning of the tank. The design of the tank and its connection conductors is studied so that the magnetic fields created by the different parts of the tank and the connection conductors compensate each other: this results in a tank having for plane of symmetry the vertical plane parallel to the line of tanks and passing through the center of the crucible.
Cependant, les cuves sont également soumises à des champs magnétiques perturbateurs provenant de la ou des files voisines. However, the tanks are also subjected to disturbing magnetic fields coming from the neighboring row or rows.
Dans ce qui suit, les mots amont et aval s'entendent par rapport au sens général du courant électrique dans la file de cuves considérée. 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. In what follows, the words upstream and downstream are understood with respect to the general direction of the electric current in the queue of tanks considered. By neighboring queue is meant the queue closest to the queue considered, and by field of the neighboring queue, the result of the fields of all the queues other than the queue considered.
Le but de l'invention est de réaliser une cuve dont le système anodique soit alimenté par des arrivées de courant placées sur les petits côtés de la cuve et dont le dessin des conducteurs entre cuves soit tel qu'on réalise une excellente symétrie du champ magnétique vertical suivant la règle suivante: The object of the invention is to make a tank whose anode system is supplied by current inlets placed on the short sides of the tank and whose pattern of conductors between tanks is such that excellent magnetic field symmetry is achieved. vertical according to the following rule:
— la valeur absolue de la composante Bz est la même dans les quatre angles, - the absolute value of the component Bz is the same in the four angles,
— le signe de Bz est alternativement positif et négatif quand on passe d'un angle de la cuve à l'autre en suivant son périmètre. - the sign of Bz is alternately positive and negative when one passes from one angle of the tank to the other following its perimeter.
Ce résultat est obtenu a) compte tenu du champ magnétique créé par les files de cuves voisines, This result is obtained a) taking into account the magnetic field created by the rows of neighboring tanks,
b) compte tenu de la modification du champ magnétique due à la présence des pièces ferromagnétiques situées à proximité de la cuve. b) taking into account the modification of the magnetic field due to the presence of ferromagnetic parts located near the tank.
Bz désigne la composante du champ magnétique selon l'axe vertical Oz, dans un trièdre trirectangle de référence dont l'axe Ox est parallèle à l'axe de la série dans le sens du courant, le point O étant fixé au centre du plan cathodique. Bz designates the component of the magnetic field along the vertical axis Oz, in a trirectangle reference trihedron whose axis Ox is parallel to the axis of the series in the direction of the current, the point O being fixed at the center of the cathode plane .
Dans le brevet français N° 2333060 et le certificat d'addition N° 2343826 à ce brevet, on a décrit des moyens visant à compenser le champ magnétique créé par les files de cuves voisines en plaçant une boucle de courant sous la tête extérieure, c'est-à-dire sous le petit côté de la cuve le plus éloigné de la file la plus proche. Le dispositif utilisé consiste à dévier une partie du courant contournant la tête extérieure de la cuve en la faisant passer par un conducteur situé sous la cuve. In the French patent N ° 2333060 and the certificate of addition N ° 2343826 to this patent, one described means aiming to compensate for the magnetic field created by the rows of neighboring vats by placing a current loop under the external head, c that is to say under the small side of the tank furthest from the nearest line. The device used consists in deflecting part of the current bypassing the outer head of the tank by passing it through a conductor located under the tank.
Dans le brevet US-A N° 3617454, on décrit une disposition de conducteurs visant à égaliser la composante verticale du champ magnétique sur l'ensemble de la cuve en plaçant en diagonale les barres reliant les extrémités des collecteurs cathodiques amont au centre des collecteurs cathodiques aval. Dans le brevet US-A N° 3969213, les barres reliant les collecteurs cathodiques amont aux collecteurs aval ont une forme en L et sont, sur une partie de leur trajet, parallèles au grand côté de la cuve. Aucun de ces deux dispositifs ne permet d'obtenir la symétrie de la composante verticale du champ magnétique dans les quatre angles de la cuve. In patent US-A No. 3617454, an arrangement of conductors is described which aims to equalize the vertical component of the magnetic field on the whole of the tank by placing diagonally the bars connecting the ends of the cathode ray collectors upstream to the center of the cathode ray collectors. downstream. In US Pat. No. 3,969,213, the bars connecting the upstream cathode collectors to the downstream collectors have an L shape and are, on part of their path, parallel to the long side of the tank. Neither of these devices makes it possible to obtain the symmetry of the vertical component of the magnetic field in the four angles of the tank.
L'installation objet de l'invention, dans laquelle la composante verticale du champ magnétique des cuves d'électrolyse placées en travers est rendue symétrique de manière à amener le champ magnétique vertical à avoir sensiblement la même valeur absolue dans les quatre angles de la cuve, avec des signes alternativement positif et négatif quand on décrit le périmètre de la cuve, par modification de la répartition du courant dans les conducteurs d'alimentation de l'anode d'une cuve aval à partir de la cathode de la cuve amont voisine, en superposant à la cuve deux boucles électriques produisant un champ magnétique vertical supplémentaire sensiblement The installation which is the subject of the invention, in which the vertical component of the magnetic field of the electrolytic cells placed across it is made symmetrical so as to cause the vertical magnetic field to have substantially the same absolute value in the four angles of the cell , with alternately positive and negative signs when describing the perimeter of the tank, by modifying the distribution of the current in the supply conductors of the anode of a downstream tank from the cathode of the neighboring upstream tank, by superimposing on the tank two electric loops producing an additional vertical magnetic field appreciably
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
3 3
643 601 643,601
égal au champ magnétique vertical moyen de la cuve sur son petit côté, et de sens contraire, est caractérisée en ce que ces boucles électriques de compensation sont disposées sous chacun des petits côtés ou têtes de la cuve. equal to the mean vertical magnetic field of the tank on its short side, and in the opposite direction, is characterized in that these electric compensation loops are arranged under each of the short sides or heads of the tank.
Avantageusement, on peut, en outre, faire passer dans un conducteur supplémentaire une fraction ou la totalité du courant qui parcourt le collecteur négatif amont, ce conducteur supplémentaire rejoignant le même collecteur amont en longeant le grand côté aval de la cuve, de façon à former une boucle de courant sous chaque tête de cuve. Advantageously, it is also possible to pass a fraction or all of the current flowing through the upstream negative collector through an additional conductor, this additional conductor joining the same upstream collector along the large downstream side of the tank, so as to form a current loop under each tank head.
De préférence, les conducteurs supplémentaires sont placés le plus haut possible sous la cuve, horizontalement et parallèlement aux petits côtés de la cuve, de façon telle que les plans passant par le conducteur intérieur et extérieur et par l'arête intérieure de l'anode sur les petits côtés intérieur et extérieur, respectivement, fassent avec la verticale un angle sensiblement égal à 45°. Preferably, the additional conductors are placed as high as possible under the tank, horizontally and parallel to the short sides of the tank, so that the planes passing through the inside and outside conductor and through the inside edge of the anode on the short inner and outer sides, respectively, make an angle with the vertical substantially equal to 45 °.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre, en se référant au dessin annexé dans lequel: The invention will be better understood thanks to the detailed description which follows, with reference to the appended drawing in which:
les fig. 1 et 2 illustrent, de manière schématique, la position du conducteur de compensation sous les têtes de la cuve; fig. 1 and 2 schematically illustrate the position of the compensation conductor under the heads of the tank;
la fig. 3 montre la disposition géométrique réelle de la boucle de compensation sous l'une des têtes de la cuve, et la fig. 4 illustre schématiquement, en plan, la position des conducteurs de liaison entre deux cuves successives et la position des boucles de compensation sous les têtes de l'une des cuves (la cuve amont). fig. 3 shows the actual geometric arrangement of the compensation loop under one of the heads of the tank, and FIG. 4 schematically illustrates, in plan, the position of the connecting conductors between two successive tanks and the position of the compensation loops under the heads of one of the tanks (the upstream tank).
Pour la mise en œuvre de l'invention, il faut d'abord déterminer les intensités Ii et le dans les boucles de compensation. For the implementation of the invention, it is first necessary to determine the intensities Ii and le in the compensation loops.
On calcule le champ magnétique vertical dans chacun des angles Blt B2, B3 et B4 de la cuve, soit (fig. 4) The vertical magnetic field is calculated in each of the angles Blt B2, B3 and B4 of the tank, that is (fig. 4)
Bz! dans l'angle intérieur amont Bz2 dans l'angle intérieur aval Bz3 dans l'angle extérieur aval Bz+ dans l'angle extérieur amont Bz! in the upstream inside corner Bz2 in the downstream inside corner Bz3 in the downstream outside corner Bz + in the upstream outside corner
Les équations amont/aval étant entendues par rapport au sens général du courant dans la file de cuve. Le calcul de ces champs est fait en tenant compte du champ magnétique créé par les files voisines et de l'action sur le champ des masses ferromagnétiques situées au voisinage de la cuve. The upstream / downstream equations being understood with respect to the general direction of the current in the tank queue. The calculation of these fields is made taking into account the magnetic field created by the neighboring lines and the action on the field of the ferromagnetic masses located in the vicinity of the tank.
On écrit alors les deux équations suivantes We then write the following two equations
Bzi + Bz2 = 0 m Bzi + Bz2 = 0 m
Bz3 + BZ4 = 0 Bz3 + BZ4 = 0
Les équations 1 sont linéaires en Ii et le (le champ magnétique étant proportionnel à l'intensité) et permettent donc de déterminer Ii et le. Equations 1 are linear in Ii and le (the magnetic field being proportional to the intensity) and therefore make it possible to determine Ii and le.
Or, on sait que, en l'absence des files voisines, la composante verticale Bz'!, Bz'2, Bz'3, Bz'4 du champ magnétique dans les quatre angles de la cuve est antisymétrique en y, la cuve étant, par construction, symétrique par rapport au plan xOz; on a donc Now, we know that, in the absence of neighboring lines, the vertical component Bz '!, Bz'2, Bz'3, Bz'4 of the magnetic field in the four angles of the tank is asymmetric in y, the tank being , by construction, symmetrical with respect to the xOz plane; So we have
Bz'j = — Bz'4 Bz'2 = — Bz'3 Bz'j = - Bz'4 Bz'2 = - Bz'3
Le champ vertical créé par les files voisines, d'une part, et par les boucles magnétiques, d'autre part, est pratiquement indépendant de l'abscisse x, c'est-à-dire qu'il a une valeur constante bz sur tout le petit côté intérieur et une valeur constante bz' sur tout le côté extérieur. The vertical field created by the neighboring lines, on the one hand, and by the magnetic loops, on the other hand, is practically independent of the abscissa x, that is to say that it has a constant value bz on all the small inner side and a constant value bz 'on the whole outer side.
On a donc So we have
Bz! = Bz'j + bz Bz2 = Bz'2 + bz Bz3 = Bz'3 + bz' = — Bz'2 + bz' Bz! = Bz'j + bz Bz2 = Bz'2 + bz Bz3 = Bz'3 + bz '= - Bz'2 + bz'
Bz4 = Bz'4 + bz' = — Bz'j + bz' Bz4 = Bz'4 + bz '= - Bz'j + bz'
Les équations 1 entraînent et Equations 1 involve and
Bz\ Bz \
- -
Bz'2 Bz'2
2 2
Bz'2 Bz'2
— -
Bz'! Bz '!
2 2
Bz', Bz ',
— -
Bz'2 Bz'2
2 2
Bz'2 Bz'2
- -
Bz'! Bz '!
et and
Bz, = — Bz2 = Bz3 = — Bz4 (2) Bz, = - Bz2 = Bz3 = - Bz4 (2)
Le but étant de modifier, en l'améliorant, le champ magnétique vertical sur le petit côté de la cuve, on placera le conducteur passant sous la cuve de façon qu'il ait une action maximale sur cette zone. The goal being to modify, by improving, the vertical magnetic field on the small side of the tank, we will place the conductor passing under the tank so that it has a maximum action on this area.
Sur la fig. 1, C représente la section du conducteur de compensation vue en bout, et M le point où le champ magnétique à compenser est le plus intense; a est l'angle que fait le plan contenant le conducteur de compensation C et le point M avec la verticale. Si on appelle I l'intensité du courant dans le conducteur C, le champ magnétique B au point M vaut In fig. 1, C represents the section of the compensation conductor seen at the end, and M the point where the magnetic field to be compensated is the strongest; a is the angle made by the plane containing the compensation conductor C and the point M with the vertical. If we call I the intensity of the current in the conductor C, the magnetic field B at the point M is worth
21 21
B = — cosa h B = - cosa h
Si on appelle Bz la composante verticale du champ au point M, If we call Bz the vertical component of the field at point M,
on a r> t> • we have r> t> •
Bz - Bxsina Bz - Bxsina
= — x 2 cosa sina h = - x 2 cosa sina h
1 1
= — sin2a h = - sin2a h
Bz est maximal pour sin2a = 1, donc pour a = 45°. Bz is maximum for sin2a = 1, therefore for a = 45 °.
Le conducteur de compensation doit donc être placé, comme on le voit fig. 2, de façon telle que le plan défini par le conducteur et par l'angle extérieur de l'anode fasse un angle sensiblement égal à 45° avec la verticale. The compensation conductor must therefore be placed, as shown in fig. 2, so that the plane defined by the conductor and by the external angle of the anode makes an angle substantially equal to 45 ° with the vertical.
Sur cette fig. 2, qui schématise une coupe verticale de la tête extérieure d'une cellule d'électrolyse, 1 est l'anode, 2 l'électrolyte fondu, 3 la couche d'aluminium liquide, 4 le bloc cathodique, 5 l'angle inférieur de l'anode au voisinage duquel le champ magnétique vertical à compenser est maximal, et 6 le conducteur de compensation. In this fig. 2, which shows schematically a vertical section of the outer head of an electrolysis cell, 1 is the anode, 2 the molten electrolyte, 3 the layer of liquid aluminum, 4 the cathode block, 5 the lower angle of the anode in the vicinity of which the vertical magnetic field to be compensated is maximum, and 6 the compensating conductor.
La fig. 3, qui est une vue schématique en perspective d'une tête d'une cellule d'électrolyse, précise la position et le tracé du conducteur de compensation 7. Il comporte une descente 8 à partir du conducteur négatif extérieur amont 9 jusqu'au niveau du fond de la cuve 10, un passage horizontal 11 sous la cuve parallèlement à son petit côté 12, une remontée 13 jusqu'au niveau du collecteur négatif extérieur aval 14, placée entre ce dernier et le caisson de la cuve, et un retour 15, parallèlement au grand côté 16 de la cuve, pour rejoindre le collecteur extérieur amont 9. Le tracé en pointillé fléché indique comment se forme la boucle électrique génératrice du champ de compensation. Les barres cathodiques sont désignées par le repère 17. Une boucle identique et symétrique par rapport à l'axe de la série est disposée sur l'autre tête de la cuve, comme le montre la fig. 4. Fig. 3, which is a schematic perspective view of a head of an electrolysis cell, specifies the position and the layout of the compensation conductor 7. It comprises a descent 8 from the upstream external negative conductor 9 to the level from the bottom of the tank 10, a horizontal passage 11 under the tank parallel to its short side 12, a rise 13 to the level of the downstream external negative collector 14, placed between the latter and the box of the tank, and a return 15 , parallel to the long side 16 of the tank, to reach the upstream external collector 9. The arrowed dotted line indicates how the electric loop generating the compensation field is formed. The cathode bars are designated by the reference 17. An identical and symmetrical loop with respect to the axis of the series is arranged on the other head of the tank, as shown in fig. 4.
Sur une série de cuves de 90 kA, avec 14 m de distance entre files de cuves, on utilise le dispositif indiqué ci-dessus et on calcule à partir des équations 1 On a series of 90 kA tanks, with a distance of 14 m between rows of tanks, we use the device indicated above and we calculate from equations 1
Ii = 9 kA environ le = 22,5 kA environ Ii = 9 kA approximately le = 22.5 kA approximately
On a mesuré sur ces cuves les champs magnétiques verticaux suivants, dans les angles The following vertical magnetic fields were measured on these tanks, in the angles
Bz„ = 31 G Bz „= 31 G
Bz2 = -40 G Bz2 = -40 G
5 5
10 10
15 15
20 20
25 25
30 30
35 35
40 40
45 45
50 50
55 55
60 60
65 65
643 601 643,601
4 4
Bz, = 55 G Bzz = -25 G Bz, = 55 G Bzz = -25 G
La symétrie est donc réalisée de façon tout à fait satisfaisante. ~ ^ ^ Symmetry is therefore achieved in a completely satisfactory manner. ~ ^ ^
Sur une série de cuves identiques, mais non compensées, on a 4 On a series of identical but uncompensated tanks, we have 4
mesuré par comparaison les champs magnétiques verticaux suivants, 5 Un tel équilibre affecte la bonne marche des cuves et se traduit dans les angles par un rendement Faraday insuffisant. measured by comparison the following vertical magnetic fields, 5 Such a balance affects the good performance of the tanks and results in the angles by an insufficient Faraday output.
R R
2 feuilles dessins 2 sheets of drawings
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